РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Энергия будущего: на что способны реакторы термоядерного синтеза и ждет ли нас эра чистой энергии

В течение почти столетия ученых мучила перспектива получения неиссякаемого источника энергии с помощью ядерного синтеза. К сожалению, создание контролируемой среды, в которой атомные ядра могут непрерывно сливаться под экстремальным давлением и температурой, чтобы производить энергию, крайне сложно. Но «сложно» не значит «невозможно», и сегодня мы поговорим о различных подходов к ядерному синтезу и причинах, по которым одни кажутся более многообещающими, чем другие.
Энергия будущего: на что способны реакторы термоядерного синтеза и ждет ли нас эра чистой энергии

Есть ли будущее у реакторов ядерного синтеза? И если да – какие преимущества и риски это сулит человечеству уже в самом ближайшем будущем?

Синтез и деление — это разные процессы производства ядерной энергии. Там, где ядерный синтез направлен на объединение легких атомов в более крупные, ядерное деление основывается на разрыве атома (обычно урана-235) путем обстрела его нейтронами (цепная реакция). Оба процесса высвобождают огромное количество энергии, хотя синтез при прочих равных дает больше.

Как устроен реактор ядерного синтеза

Энергия, произведенная в результате ядерного деления, улавливается внутри реакторов (таких как реакторы на Фукусиме или, к примеру, в Чернобыле) и используется для нагрева воды до состояния пара, который вращает турбину и вырабатывает электричество. Но в результате этого процесса образуются отходы, которые могут оставаться радиоактивными в течение сотен тысяч лет, что может обернуться катастрофой, если все пойдет наперекосяк.

С другой стороны, термоядерный синтез не приведет к образованию долговременных ядерных отходов, а те, что все-таки будут, всего за 100 лет могут быть переработаны без вреда для экологии. Также нет опасности расплавления реактора или ядерной аварии, потому что весь процесс основан на высокотемпературных реакциях, которые охлаждаются в течение нескольких секунд при нарушении процесса. А поскольку в этих реакциях используется относительно небольшое количество топлива, нет опасности, что внешне «мирный атом» будет использован для производства ядерного оружия.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

В области исследований ядерного синтеза участвуют ученые, решающие всевозможные проблемы, но все они стремятся к одной цели — воссозданию процессов, которые само Солнце использует для производства огромного количества энергии. Колоссальные гравитационные силы удерживают водород из атмосферы Солнца и используют интенсивное тепло и давление для преобразования газа в плазму, в которой ядра сталкиваются с высокой скоростью, образуя гелий и высвобождая энергию.

«Солнечная энергия — это действительно термоядерная энергия, только на расстоянии», — пояснил в интервью порталу New Atlas Мэтью Хоул, эксперт по ядерному синтезу и научный сотрудник Австралийского национального университета. «Вся эта энергия — просто реакции синтеза, исходящие от Солнца, которое суть огромный реактор, который находится от нас на расстоянии восьми световых минут».

Еще один ключевой фактор — это сила тяжести. Масса Солнца примерно в 300 тысяч раз больше, чем масса Земли, а это означает, что нам пришлось проявить творческий подход, чтобы реакции синтеза протекали правильно. Наиболее предпочтительный подход в его нынешнем виде заключается в использовании магнитных полей, которые можно применять для удержания двух тяжелых форм водорода, дейтерия и трития, в устройстве в форме пончика, которое называется токамак.

Будущее токамаков

Внутри китайского токамака ESAT
Внутри китайского токамака EAST IPP
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Токамаки являются одним из примеров системы магнитного удержания для ядерного синтеза, и именно они считаются наиболее целесообразными с точки зрения чистой выработки электроэнергии. Эти агрегаты состоят из аккуратного ряда катушек, размещенных вокруг реактора в форме тора, в котором плазма нагревается до миллионов градусов с помощью сильного внутреннего тока. Идея состоит в том, чтобы удерживать плазму достаточно долго, чтобы стало возможным слияние ядер.

Первые токамаки были разработаны в 1950-х годах, а в 1991 году токамак Joint European Torus (JET) в Великобритании стал первым устройством, обеспечивающим контролируемое высвобождение энергии термоядерного синтеза. Затем он установил рекорд выходной мощности для устройства токамака с мощностью 16 МВт в 1997 году. Несмотря на это выдающееся достижение, для нагрева плазмы все еще требовалось 24 МВт мощности, а это означает, что эксперименты не дотягивали до получения чистой энергии, при которой КПД устройства был бы больше нуля. Грубо говоря, процесс протекал правильно, но затраты энергии на него превышали полученный результат.

JET работает и сегодня, и с тех пор к нему присоединилось множество других токамаков по всему миру. В список входят китайский экспериментальный усовершенствованный сверхпроводящий токамак, которому еще в 2018 году удалось достичь температуры 100 миллионов градусов по Цельсию, и устройство Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR), которое в декабре прошлого года установило мировой рекорд, удерживая плазму на уровне более 100 миллионов °C в течение 20 секунд, а также частные предприятия, такие как британская компания Tokamak Energy.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Внутренности здания, которое разместит крупнейший токамак в истории
Внутренности здания, которое разместит крупнейший токамак в истории Vinci

Несмотря на эти достижения, точка безубыточности по энергии для термоядерного синтеза остается неуловимой. Многие ученые возлагают большие надежды на устройство следующего поколения, которое в настоящее время находится в стадии разработки. ITER, или Международный термоядерный экспериментальный реактор, — один из самых амбициозных энергетических проектов, которые когда-либо предпринимало человечество, с участием ученых и инженеров из 35 стран. Когда он будет завершен (если все пройдет благополучно, то к 2025 году), то станет крупнейшим в мире устройством ядерного синтеза.

Семиэтажный ITER будет токамаком, принимающим потоки плазмы в 10 раз больше, чем те, которые образуются в современных аналогах. Если JET удалось произвести 16 МВт выходной мощности из 24 МВт необходимых, то ITER спроектирован для выработки 500 МВт мощности при расходах всего в 50 МВт, что, наконец, позволит получать прирост энергии. Однако эта энергия не будет улавливаться в виде электричества. Скорее, ITER послужит испытательным стендом для технологий, которые, как ожидается, будут лежать в основе первых в истории термоядерных электростанций с практическим применением.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Ядерные альтернативы

Хотя большая часть амбиций человечества в области ядерного синтеза связана с ITER, есть и другие захватывающие возможности, например — еще один термоядерный реактор с магнитным удержанием: стелларатор.

Как и токамаки, стеллараторы предназначены для удержания потоков плазмы в замкнутой камере с помощью магнитных катушек, но с некоторыми ключевыми отличиями. Вместо красивой симметричной формы пончика стелларатор рассылает плазму по неправильным кругам, которые вращаются с помощью невероятно сложной серии магнитных катушек. Это кажется нелогичным, но на самом деле это создает большую стабильность в плазме из-за различий во внутреннем токе.

Стеллатор HSX
Стеллатор HSX Wiki

«При тороидальном магнитном удержании вам нужно, чтобы ток закручивался», — поясняют ученые. «Токамаки делают это с большим внутренним током, который заставляет поле скручиваться и вращаться, когда оно движется вокруг изгиба. В стеллараторе вы намеренно скручиваете все поперечное сечение изгиба, а потому вам не нужен большой внутренний ток для создания дополнительного скручивания. Так что в некотором смысле вы переводите физическую проблему в инженерную».

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Это обстоятельство также создает огромную математическую проблему для описания скручивающего тора. Что касается математических и инженерных задач, то вот вам простой пример: для создания Wendelstein 7-X, крупнейшего в мире стелларатора, потребовалась помощь суперкомпьютеров. Wendelstein 7-X, созданный для непрерывного удержания сверхгорячей плазмы в течение более 30 минут за раз, был впервые запущен в 2015 году и с тех пор делает маленькие шаги к достижению своей цели.

IPP
Схема, изображающая сложную серию катушек и инфраструктуры, окружающей защитный сосуд стелларатора Wendelstein 7-X.

Он перешел от удержания гелиевой плазмы к плазме водородной в 2016 году, а два года спустя субсекундные вспышки превратились в удержания продолжительностью более 100 секунд, что является рекордом для реактора данного типа. Это происходило при температурах выше, чем на Солнце, около 20 миллионов °C, однако при этом ученые достигли беспрецедентного выхода энергии.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Поскольку стеллараторы не требуют такого большого внутреннего тока и по своей природе предлагают большую стабильность, чем токамаки, Хоул говорит, что они вполне могут быть лучше приспособлены для обеспечения сети энергией. Но это лишь при условии, что невероятно сложная инфраструктура может быть построена за сравнительно небольшие деньги, а все ее текущие ограничения останутся без изменений.

Внутренности камеры ядерного реактора Wendelstein 7-X
Внутренности камеры ядерного реактора Wendelstein 7-X IPP, Jan Michael Hosan

«В долгосрочной перспективе стелларатор, пожалуй, более привлекателен, чем токамак», — признается Хоул. «Но для инженера стелларатор — это своего рода кошмар. Поэтому и то, и другое стоит изучить более пристально».

Покончим с магнитами

Помимо магнитного удержания, исследуются другие подходы к ядерному синтезу, подпадающие под так называемое инерционное удержание. Это новое направление исследований в области ядерного синтеза предполагает использование очень точно нацеленных лазерных или ионных лучей для быстрого нагрева топливной таблетки, которая также будет состоять из дейтерия и трития.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Идея состоит в том, что сильный нагрев топлива вызовет огромные сжимающие силы, которые запустят цепную реакцию через слои материала, в которых может происходить ядерный синтез, высвобождая огромное количество энергии. Еще в феврале радикальный подход к данной методике продемонстрировала австралийская компания HB11 Energy, которая стремится покончить с традиционным рецептом дейтерия и трития в пользу нерадиоактивного подхода с участием водорода и бора — b11.

Схема
HB11
Небольшая гранула водородно-борного топлива помещается в большую сферу и поражается двумя лазерами одновременно, чтобы вызвать реакцию термоядерного синтеза, которая непосредственно генерирует электричество без использования паровых турбин.

Компания утверждает, что избегает многих проблем, которые десятилетиями преследовали ядерную термоядерную энергетику, в основном потому, что не пытается нагреть свое топливо до безумно высоких температур. Ученые подвергают свои топливные таблетки воздействию двух лазеров: один используется для создания магнитного удерживающего поля, а второй для запуска цепной реакции синтеза водорода и бора, которая создает частицы, которые, в свою очередь, могут генерировать электрический ток.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

По словам специалистов, этот ток можно почти напрямую направить в существующую энергосистему. Не было бы необходимости в паротурбинном генераторе или теплообменнике, и не было бы опасности расплавления. Команда очень оптимистично относится к своей технологии и заявляет, что ее эксперименты показывают скорость реакции в миллиард раз лучше, чем прогнозировалось, и полагают, что ее план развития будет намного быстрее и дешевле, чем другие подходы.

«Это интересное направление», — отмечает Хоул, знакомый с HB11 и исследователями, работающими над проектом. «Но я бы не сказал, что есть убедительные доказательства того, что вы можете превратить подобную разработку в электростанцию ​​в более быстром масштабе, чем ITER или тороидальное магнитное удержание. На мой взгляд, на практике у нее будет еще больше проблем».

По словам Хоула, ключевая проблема таких подходов заключается в том, что эти реакции происходят в практически мгновенно. Чтобы технология могла быть применена к практической электростанции, она должна перерасти от кратковременных разовых реакций к чему-то, что производит постоянный запас энергии.

«Если я выпущу множество лазерных импульсов по цели, и все это закончится за наносекунду, мы получим лишь импульсный эксперимент», — объясняет он. «Чтобы повторить его, мне придется поставить на место цель, подключить все провода и заново настроить систему. Вопрос в том, как преобразовать то, что по своей сути является импульсом, во нечто более стабильное и постоянное? В случае этих экспериментов вам, грубо говоря, нужно будет перейти от одной топливной таблетки в неделю к 10 таблеткам в секунду, иначе у системы не будет практического применения».

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Дело за пинчем

Система удержания Z-pinch в Вашингтонском университете
Система удержания Z-pinch в Вашингтонском университете

Еще один интересный пример подхода к ядерному синтезу с инерционным удержанием — это так называемый Z-пинч. Вместо того, чтобы использовать большие и сложные магнитные катушки для удержания потоков плазмы, данный подход основан на электромагнитном поле, которое генерируется внутри самой плазмы. Z-пинч был назван «темной лошадкой» гонки ядерного синтеза, потому что с момента своего создания в 1950-х годах он обещал гораздо более простую конфигурацию, чем токамаки или стеллараторы. Но, как и эти устройства, он также был подвержен нестабильности в плазме, которая выходит за пределы силовых линий магнитного поля и создает проблемы.

Z-пинч
Принцип работы Z-пинча прост: электрический ток порождает кольцевое магнитное поле, которое взаимодействует с этим же током и сжимает его. В результате плотность и температура плазмы, через которую течёт ток, возрастают.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

В 2019 году команда Вашингтонского университета придумала способ сгладить эти выпуклости путем настройки гидродинамики плазмы. В колонне Z-пинча длиной 50 см команда смогла удерживать текущую плазму в 5000 раз дольше, чем статичную, и наблюдала энергичные нейтроны, которые ученые посчитали контрольными признаками ядерного синтеза. Будучи многообещающим, как и лазерный подход HB11, Z-pinch все же столкнется с серьезными проблемами, когда дело дойlет до обеспечения непрерывной мощности.

«Z-пинч также является импульсным по своей природе, в процессе испытания инженеры буквально взрывают набор проводов», — говорит Хоул. «Подобную систему трудно назвать устойчивой и долговременной».

Будущее, основанное на термоядерном синтезе?

Большинство современных проектов реактора ядерного синтеза основаны на конструкции по принципу токамака, хотя и другие подходы могут быть не менее интересны. Все внимание будет приковано к ITER, когда он впервые заработает, особенно когда начнутся эксперименты с использованием смеси дейтерия и трития в соотношении 50:50.

Итак, как мы видим, в то время как ITER, тороидальное магнитное удержание и конструкция токамака, безусловно, являются наиболее продвинутыми и перспективными, исследователи ядерного синтеза используют ряд различных подходов, каждый со своими преимуществами и недостатками. К сожалению, независимо от подхода, установки ядерного синтеза на сегодняшний день требуют больше энергии, чем производят. Но решение этих инженерных и физических проблем для получения чистого прироста энергии, каким бы невероятно сложным оно ни было, станет одним из величайших достижений человечества.

Кстати, у нас есть канал в Telegram, где можно почитать о самых свежих и интересных новостях из мира науки и техники.

Подписаться

Загрузка статьи...