ТЕРМОЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА. СТАТУС И РОЛЬ В ДОЛГОСРОЧНОЙ ПЕРСПЕКТИВЕ

В сегодняшнем физическом представлении, существует лишь несколько основных источников энергии, которыми человек может овладеть и использовать. Ядерные реакции синтеза – и есть один из таких источников энергии. Энергия, в реакциях синтеза, производится за счет работы ядерных сил, совершаемой при слиянии ядер более легких элементов и образовании более тяжелых. В природе подобные реакции достаточно широко распространены. Энергия различных звезд, в том числе и Солнца, во вселенной производится в результате ядерных реакций синтеза, которые превращают четыре ядра атома водорода в одно, более тяжелое ядро гелия. То есть звезды можно назвать естественным термоядерным реактором, а Солнце – реактором, снабжающим своей энергией экологическую систему Земли.

На данный момент более 85% энергии, производимой человеком, получается при сжигании угля, нефти и природного газа. Однако учеными предполагается, что этих дешевых источников энергии, освоенных 200-300 лет назад, которые и привели человечество к столь быстрому росту, развитию и благосостоянию, хватит максимум до конца нынешнего столетия. И уже к 2050 году производство энергии возрастет примерно в три раза по сравнению с нынешним уровнем, и достигнет значение в примерно 10²¹ Дж в год. И это означает лишь то, что уже в обозримом и не столь отдаленном будущем органические топлива – нефть, газ и уголь – придется заменить на другие виды производства энергии. И замена необходима не только из-за ограниченности и истощения природных ресурсов, но и для защиты от загрязнения окружающей среды, критический уровень которого, по оценкам экспертов, наступит куда раньше, чем дешевый ресурс будет окончательно выработан. Нынешний же способ производства энергии в качестве личной выгребной ямы использует атмосферу, выбрасывая около 17 миллионов тонн углекислого и прочих газов, следующих за сжиганием топлива, ежедневно. Так что переход к уже широкомасштабной альтернативной энергетике предсказывается приблизительно к второй половине 21 века. Так же предполагается, что в будущей энергетике будут использоваться разнообразные, в том числе и возобновляемые источники энергии, такие как солнечная энергия, гидроэлектроэнергия и ядерная энергия.

В нынешнем обществе, называемом индустриальным, более половины от всей производимой энергии используется в независящем от времени суток и сезонов режиме, так называемом режиме постоянного потребления. На постоянную базовую мощность накладываются лишь колебания, суточные и сезонные. Таким образом, энергетическая система должна состоять из двух компонентов. Базовой энергетики, которая снабжает общество энергией на постоянном уровне, и энергетических ресурсов, которые используются по мере надобности. Вероятно, такие возобновляемые источники энергии, как солнечная, ветряная энергии и др., будут использоваться в основном в переменной составляющей потребления энергии. На сегодняшний день не открыли других кандидатов для базовой энергетики, единственный из которых — это ядерная энергия. На данный момент, для получения энергии освоены только ядерные реакции деления, которые используются на современных атомных электростанциях. А управляемый термоядерные синтез на данный момент является всего лишь потенциальным кандидатом для базовой энергетики.

Но имеет ли этот кандидат преимущества над ядерными реакциями деления? Главное и принципиальное отличие заключается в отсутствии характерных для ядерных реакций деления вредных и долгоживущих радиоактивных отходов.

В процессе работы термоядерного реактора первая стенка (первая изнутри, и соответственно, самая горячая стенка реактора, которая состоит из одних из самых термостойких элементов таблицы Менделеева – бериллия и вольфрама) активируется нейтронами, но выбор подходящих низкоактивируемых конструкционных материалов открывает необходимую возможность создания термоядерного реактора, в котором наведенная активность первой стенки будет падать до полностью безопасного уровня за примерно тридцать лет после остановки реактора. Это значит, выработавший свой ресурс реактор можно будет законсервировать всего на 30 лет, после чего материалы будут быть переработаны и использованы в новом реакторе синтеза. Эта ситуация кардинально отличается от реакторов деления, которые производят радиоактивные отходы, требующие переработки и хранения в течении десятков тысяч лет. Кроме низкой радиоактивности, термоядерная энергетика имеет у себя громадные, можно сказать неисчерпаемые запасы топлива и других необходимых материалов, которых будет хватать человечеству на многие сотни лет вперед.

Из-за подобных преимуществ, основные ядерные страны, такие как РФ, США, Великобритания, немногим позже Китай и другие в середине 20 века начали масштабные исследования по управляемому термоядерному синтезу. К тому моменту уже были проведены испытания водородных бомб, что и было доказательством возможности реализовать подобный проект в условиях нашей планеты. Однако потребовалось около 40 лет для того, чтобы создать условия, при которых выделение термоядерной мощности стало сравнимым с мощностью нагрева реагирующей смеси. Только в 1997 году токамак получила около 16 МВт термоядерной мощности.

Причиной столь долгой задержки стало то, что для достижения цели физикам и инженерам пришлось решать огромное количество проблем, порождающие другие проблемы, которые не были видимы до начала этого пути. В течении прошедших сорока лет была создана новая отрасль науки – физика плазмы, с помощью которой стало возможным описать сложные физические процессы, происходящие в реагирующей смеси. Инженерам достались другие, не менее сложные, проблемы. Например, им потребовалось научиться создавать глубокий вакуум в больших объемах, подобрать и испытать подходящие конструкционные материалы, разработать большие сверхпроводящие магниты, мощные лазеры и источники рентгеновского излучения, разработать импульсные системы питания, которые были способны создать мощные пучки частиц, разработать методы высокочастотного нагрева смеси и многое другое. Однако сколько еще предстоит придумать и изобрести? Термоядерный синтез уже был осуществлен, и ученые знают, как он реализуется на Солнце. Но для того, чтобы им управлять, все еще необходимо решить огромную массу очень сложных физических и инженерно-технических задач.

Что из себя представляет токамак?  Идея создания управляемого термоядерного синтеза с использованием токамака − магнитной ловушки с замкнутой конфигурацией − возникла в России в 50-е годы. И первый успешный эксперимент, проведенный в Курчатовском институте на токамаке Т-3, подтвердил работоспособность этой схемы. И после этого туда приехали ученые из разных стран. Они подтвердили, что плазма действительно нагрелась достаточно хорошо. В этот момент начался всплеск интереса к токамакам, и многие другие установки в разных странах стали перестраиваться под эту конфигурацию.

В целом появление токамака для термоядерного синтеза связано с исследованиями и разработками термоядерного оружия. И первые результаты и в Советском Союзе, и в Соединенных Штатах были получены людьми, которые занимались созданием водородных бомб. Долгое время оставались засекреченными разработки академиков Игоря Евгеньевича Тамма и Андрея Дмитриевича Сахарова. Именно они выдвинули идею удержания частиц плазмы магнитным полем в ловушке тороидальной конфигурации. Однако, когда выяснилось, что их разработки не могут быть использованы в военных целях, исследования были рассекречены и с тех пор проводятся в рамках широкого международного сотрудничества.

Сегодня, помимо традиционного направления с использованием токамаков, развивается сравнительно новое направление компактных сферических токамаков. Собственно, «Глобус-М» и «Глобус-М2» также относятся к подобным установкам. Их преимущество в первую очередь заключается в том, они компактны, а, следовательно, не дороги. Теория предсказывает, что плазма в такой геометрии более устойчива. Такие установки позволяют получать плазму со сходными, а порой и превосходящими обычные токамаки параметрами температуры и плотности. Такие компактные установки работают в Великобритании, США и Японии.

В экспериментах удалось получить плазму с параметрами, близкими к термоядерным. Научное сообщество привыкло измерять ее в килоэлектронвольтах, но, если говорить на простом языке — это десятки миллионов градусов. Критерием достижения области зажигания термоядерной реакции считается выполнение критерия Лоусона или достижение достаточного большого значения тройного произведения температуры, плотности плазмы и времени удержания энергии.

Нельзя забывать, что сферический токамак в результате термоядерных реакций (или просто ядерных реакций) производит нейтроны, которые сами по себе представляют ценность. Помимо той энергии, которая вырабатывается в термоядерных реакциях. Такие нейтроны могут быть использованы и в медицине, и в материаловедении, а также решить задачу разрушения (дезактивации) отходов ядерной энергетики. Кроме того, они могут нарабатывать и топливо для ядерной энергетики, которая сейчас производит большой объем энергии. Запасы изотопа урана-235, используемого в атомной энергетике, ограничены. Восполнить их можно с помощью термоядерных нейтронов при облучении тория, запасы которого практически неограничены.

Последние по мере сооружения ITER – проект международного экспериментального термоядерного реактора – выходят на первый план, но остаётся не решённым и большое число физических задач. Дело в том, что вопросы сложного движения частиц плазмы, контроля над ним, проблемы изменения режимов перемешивания плазмы – не удаётся решить в рамках простых теоретических моделей. Зачастую для понимания поведения плазмы приходится численно моделировать движение очень больших ансамблей индивидуальных заряженных частиц в создаваемых ими же электромагнитных полях.

На данный момент пред учеными стоит ряд крайне важных задач. Одна из таковых – работа в квазинепрерывном режиме. На данный момент, токамак работает только в импульсном режиме, что не является интересным никому в коммерческом плане. Токамак работает только по закону Фарадея. Имеются катушки, которые создают удерживающее тороидальное магнитное поле. Внутри же установлен индуктор, который создает переменное магнитное поле, направленное вдоль оси симметрии тора. Согласно вышеупомянутому закону Фарадея, переменное магнитное поле создает квазипостоянное тороидальное электрическое поле. Для того, чтоб это поле сохранялось, а плазма нагревалась, магнитный поток должен непрерывно меняться в индукторе. Это означает, что магнитное поле будет расти. Но бесконечно расти оно конечно же не может, потому что на токи, которые текут по проводникам в индукторе со стороны магнитного поля, действуют всё большие и большие силы. Что значит, длительность разряда в классическом токамаке ограничена несколькими секундами. Для токомака-реактора этого крайне недостаточно.

Еще одна задача связана с нагревом плазмы до необходимой температуры, при которой крайне интенсивно проходят термоядерные реакции. А решение третьей задачи нуждается в новых исследованиях. Плазма нагревается, и её энергия попадает на материальную стенку установки. И как она поведет себя при длительном разряде на данный момент неизвестно. Вопрос состоит сейчас в том: а годится ли нержавеющая сталь для использования в термоядерном реакторе? По этой причине сейчас проходят обсуждения возможности перехода на другую металлургию – так называемую металлургию ванадия. Ванадий – это металл, широко использующейся в металлургии для повышения прочности сплавов, из отходов производства серной кислоты.

Помимо всего прочего, сейчас достаточно остро стоит проблема управления. В настоящем, используется электромагнитная диагностика, которая может измерить динамику магнитных потоков, благодаря чему появляется возможность контролировать и корректировать положение плазмы. При длительном разряде изменения магнитных потоков не очень большие. По этой причине все еще не до конца ясно, как управлять этим процессом в таких условиях.

Касательно экспериментов в области управляемого термоядерного синтеза – сейчас можно назвать три подобных проекта. Одним из таких и является ИТЭР, в реализации которого учувствуют семь крупных международных участников – Индия, Китай, Южная Корея, Япония, ЕС, Россия и США. Так же, в реализации этого проекта участвуют, совместно с российскими, и белорусские ученые.

Однако, когда же все-таки люди смогут приблизиться к использованию термоядерной энергии? Уже сейчас исследования, проводимые по управляемому термоядерному синтезу, приносят пользу. Знания, которые будут получены в результате, о поведении плазмы и прочих фундаментальных аспектах, используются активно в других областях физики. Как и технические наработки и решения. Что же касается непосредственно энергии – причина, по которой эти исследования ведутся очень долго, не в том, что их невозможно сделать быстрее, а в том, что они пока что не востребованы в близкой перспективе. Как только люди осознают, что энергетика действительно начнет в срочном порядке нуждаться в термоядерных реакторах, то они смогут появится уже и через 10-15 лет. Но сейчас же предполагаемое время создания прототипа термоядерной энергии – 2050 год. К тому же, на данный момент идет этап, в котором еще не сделан выбор в пользу какого-либо конкретного типа реактора. Однако выбор вероятно будет сделан сразу же после того, как заработать ITER. И после этого ученые смогут проектировать прототипы термоядерной электростанции. И, как считают многие ученые, это действительно ожидает нас не раньше второй половины 21 века.

Если затронуть термоядерную энергетику в Беларуси, то, конечно, появление источника термоядерной энергии на территории страны – дело будущего. Хоть некоторые белорусские ученые принимают активное участие в разработке и реализации некоторых проектов, но их вклад все же не так заметен, как вклады ученых других стран, которые вкладывают немало денег в разработку и исследования. Например, вклад России в ИТЕР составляет 9% от общей стоимости всего этого проекта. За РФ «закреплены» 25 систем ИТЭР.

Список литературы:

1. «Перспективы энергетических технологий»
2. Джесси Рассел, «Управляемый термоядерный синтез»
3. Гарипов М.Г., «Термоядерная энергетика»