Ядерный синтез: когда это произойдет?
После недавней смерти директора программы ITER (Международный термоядерный экспериментальный реактор) проект продолжает работать над запуском первого в истории реактора ядерного синтеза. Для запуска процесса термоядерного синтеза рассматривается множество подходов, включая создание и поддержание как можно дольше чрезвычайно горячей плазмы с помощью токамака (или вакуумной камеры). Когда этот вид производства энергии начнется в промышленных масштабах? Какие препятствия стоят на пути к его реализации?
Современные ядерные реакторы производят энергию за счет реакции деления тяжелых атомов. По данным Института радиозащиты и ядерной безопасности (IRSN), деление ядра — это проекция нейтрона на нестабильный тяжелый атом (урана-235 или плутония-239), который поглощает нейтрон и распадается на два более легких атома. Это приводит к производству энергии, радиоактивного излучения и двух-трех нейтронов, способных, в свою очередь, вызвать деление и т. д. путем цепных реакций.
Ядерный синтез производит энергию противоположным способом, путем объединения двух атомов водорода (дейтерия и трития). Когда их легкие ядра сливаются, образовавшееся новое ядро находится в нестабильном состоянии и, чтобы вернуться в более стабильное состояние, выбрасывает атом гелия и нейтрон с большой энергией. Это происходит при температурах в несколько миллионов градусов, как в ядрах звезд, частью которых является Солнце.
Этот вид производства энергии имеет много преимуществ. Когда технология будет запущена, она будет использовать практически неограниченное количество сырья, получаемого из воды или из самой реакции синтеза. Кроме того, она чрезвычайно эффективна, теоретически выделяя (при той же массе) в четыре раза больше энергии деления и почти в четыре миллиона раз больше энергии простой химической реакции, такой как сжигание угля, нефти или газа. Ядерный синтез также намного безопаснее для нашего здоровья и имеет низкое воздействие на окружающую среду. При этом не выделяется никаких парниковых газов, так как производимый гелий является инертным, нетоксичным газом. Не будут производиться долгоживущие радиоактивные отходы высокого уровня, обращение с которыми в настоящее время является проблематичным.
Более 50 лет совершенствования токамаков
Идея использования энергии ядерного синтеза не нова. В 1960-х годах российским исследователям удалось достичь невиданных ранее температур и времени удержания плазмы (два ключевых параметра термоядерного синтеза). Плазма представляет собой четвертое состояние материи: при нагревании твердого элемента она становится жидкой, при дальнейшем нагревании — газообразной, а при дальнейшем нагревании — плазменной.
Называемый «токамак», аппарат представляет собой структуру, содержащую электромагниты, которые удерживают сверхгорячую плазму. Основная проблема этой технологии заключается в том, что плазма должна удерживаться и контролироваться мощными магнитными полями для поддержания стабильной и работоспособной термоядерной реакции.
С тех пор токамак стал доминирующей концепцией среди исследователей, работающих над реализацией проекта, машины размножились во многих странах, а установки усовершенствовались. Примерно за 50 лет производительность плазмы, создаваемой термоядерными установками, увеличилась в 10 000 раз, и для создания реактора, способного непрерывно производить энергию, потребуется лишь 10-кратное увеличение производительности.
Однако нет недостатка в технологических достижениях, чтобы как можно скорее использовать этот тип ядерной реакции. В прошлом году команда из Массачусетского технологического института заявила, что разработала новый электромагнит, способный обеспечить невиданный ранее уровень мощности. Ведь основная трудность ядерного синтеза заключается в удержании плазмы реактора с помощью электромагнитов, которые могут быть ограничены по мощности и продолжительности реакций. По мнению исследователей MIT, последние достижения в представленном магните позволят впервые построить мини термоядерную электростанцию (при очень высокой температуре) в 2025 году. Американская команда использует подход, противоположный подходу ИТЭР, который представляет собой огромную установку, работающую при более низких температурах.
Со своей стороны, исследователи ИТЭР менее года назад получили первую часть массивного магнита, который будет составлять ядро реактора. Магнит, называемый «центральным соленоидом», создан для того, чтобы выдерживать экстремальные давления и температуры. Он генерирует магнитное поле примерно в 280 000 раз сильнее, чем магнитное поле Земли. «Каждый раз, когда завершается строительство крупного отдельного компонента, такого как первый модуль центрального соленоида, мы все больше уверены в нашей способности завершить сложное проектирование всей машины«, — сказал Лабан Кобленц, представитель ИТЭР.
К декабрю 2021 года реакция ядерного синтеза даже приблизилась к порогу зажигания, достижение которого позволит реактору быть самоподдерживающимся, не требуя затрат энергии. В прямой конкуренции с ИТЭР многие начинающие компании вступают на путь коммерческого термоядерного синтеза, иногда используя инновационные подходы. Например, одна из компаний сосредоточилась на термоядерном синтезе снарядов, цель которого — запустить снаряд на очень высокой скорости в мишень, содержащую термоядерное топливо, для получения энергии. Методика совершенствуется, поскольку вырабатываемой энергии пока недостаточно для начала реакции. Компания также хочет сотрудничать с существующими производителями электроэнергии для разработки пилотной установки, которая должна быть введена в эксплуатацию в 2030-х годах.
Ограничения, которые должны быть преодолены через 15 лет или около того
Что на самом деле стоит на пути к созданию первого реактора ядерного синтеза? Хотя для реакции требуется лишь небольшое количество трития, этот атом не существует в естественном состоянии и быстро распадается. Произведенный из лития, он, следовательно, должен быть произведен в самом реакторе, путем реакции с нейтронами.
Кроме того, тритиевые отходы могут создавать проблемы с загрязнением. В случае ИТЭР его общий объем составит чуть менее 500 тонн, и его придется хранить на месте, пока он не станет безвредным (однако период полураспада трития составляет всего 12 лет). В настоящее время одним из объектов исследований является уменьшение количества трития в отходах. Необходимо будет нагреть отходы до очень высоких температур или изготовить проникающие барьеры, которые предотвратят загрязнение тритием воды в системах охлаждения. Ожидается, что отходы начнут накапливаться уже в 2035 году, и контроль за их утилизацией имеет огромное значение.
Принимая во внимание эти элементы, электростанции ядерного синтеза являются очень перспективными и гораздо более выгодными, чем электростанции деления. Хотя для достижения термоядерного синтеза в промышленных масштабах все еще необходимы многочисленные усовершенствования, решение проблемы находится в пределах нескольких десятилетий. Что касается ИТЭР, ученые говорят, что реактор сейчас готов на 75%, а первая водородная плазма, которая позволит ему нормально функционировать (первоначально запланированная на 2025 год), запланирована на 2027 год. Она достигнет полной мощности в лучшем случае в 2035 году, но без уверенности в том, что станет энергетически жизнеспособной. Что касается первых реакторов, запланированных для промышленного использования, более рентабельных, чем деление, то некоторые эксперты сходятся во мнении, что их создание возможно достичь как минимум к 2035-2040 гг.