К концу 2010-х заработает Международный экспериментальный термоядерный реактор

В июне 2009-го на четвертом заседании Совета Международного экспериментального термоядерного реактора (ITER) в японском городе Мито был одобрен поэтапный подход к строительству установки, а 2018 год обозначен как срок окончания работ и получения первой плазмы. Таким образом, участники проекта зафиксировали намерение продолжать проект ITER вопреки мировому экономическому кризису. А в ноябре нынешнего года на пятом заседании Совета ITER во французском центре Кадараш решили, что функционирование ITER на основе дейтериево-тритиевого топлива должно начаться еще раньше. Возможно, окончательно Совет определится со сроками в феврале 2010 года. Но все национальные агентства уже подписали договоры с промышленными предприятиями о начале поставок, то есть ITER входит в стадию строительства. Изначально при подписании 21 ноября 2006-го в Париже соглашения о создании Международной организации ITER датой получения первой плазмы указывался 2016 год. Однако позднее ее передвинули на два года позже, а начало полномасштабной эксплуатации реактора — на 2026-й. Длительный промежуток времени между первой плазмой и сдачей в эксплуатацию объясняется необходимостью «доводки» железа.

Первоначальное затягивание проекта было связано с острой дискуссией о месте строительства объекта. В итоге выбор пал на французский атомный центр Кадараш, расположенный неподалеку от Экс-ан-Прованса. Основным его конкурентом был японский город Рокасё-мура.

Далее, скорее всего, споры разгорятся вокруг финансирования. Долевое участие в финансировании проекта распределили следующим образом: Евросоюз должен обеспечить около 40%, остальные страны-участники — по 10%. Однако беспокойство вызывает то, что с 2001 года ни разу не пересматривался бюджет — пять миллиардов долларов. Требуемая смета, по словам физиков, значительно выше и может достичь 16 млрд долларов.

Зачем нам термояд

Суть термоядерной энергетики — использование энергии, которая выделяется не при делении тяжелых атомных ядер, как на обычной атомной станции, а при слиянии (синтезе) легких. Именно так происходит взрыв водородной бомбы, когда ядра тяжелого (дейтерий) и сверхтяжелого (тритий) водорода сливаются, образуя ядра гелия с выделением огромного количества энергии. Дело за малым — научиться применять этот процесс в мирных целях. В кадарашском термоядерном реакторе собирались использовать либо слияние дейтерия с тритием (российский вариант), либо с гелием-3 (американское предложение). Поскольку с гелием на Земле ситуация напряженная, выбор пал на российский вариант (правда, РФ уже объявила о планах построения космической станции на Луне после 2015 года, которая займется и получением гелия).

Чтобы началась реакция синтеза, ядра надо столкнуть, чему мешает их электростатическое (кулоновское) отталкивание. Для его преодоления нужно нагреть исходные материалы до сверхвысоких температур — в сотни миллионов градусов, выше температуры Солнца — и создать сильное давление. В термоядерной бомбе для запуска реакции сначала взрывают небольшой атомный заряд. Если на кадарашском реакторе удастся получить на выходе больше энергии, нежели потратить на создание плазмы и ее сжатие, эксперимент можно будет считать успешным.

Проблема заключается в том, что плазма является неустойчивым состоянием вещества. Чтобы предотвратить ее контакт со стенками камеры, ученые разработали несколько способов удержания плазмы. Наиболее эффективным оказался токамак (тороидальная камера с магнитными катушками), одним из авторов которого являлся советский академик Андрей Сахаров.

Началом современной эпохи в изучении возможностей термоядерного синтеза считается 1969 год, когда на советском токамаке Т3 около одного кубометра плазмы удалось нагреть до трех миллионов градусов по Цельсию. Уже через несколько лет было принято решение о создании установки JET (Joint European Torus) с гораздо бóльшим объемом плазмы (почти 100 кубометров). Эта установка начала работать в 1983 году и остается пока крупнейшим в мире токамаком, обеспечивающим нагрев плазмы до температуры +150 млн °C. Эксперименты, которые проводятся в Великобритании в рамках программы JET, показывают, что ядерный синтез может обеспечить не только текущие энергетические потребности человечества (16 ТВт), но и выработать значительно бОльшее количество энергии.

Возможная альтернатива

Датой рождения ITER принято считать 1985 год, когда на Международном женевском саммите генеральный секретарь ЦК КПСС Михаил Горбачев на встрече с французским лидером Франсуа Миттераном и президентом США Рональдом Рейганом предложил идею совместного строительства экспериментального реактора. В 1992-м в Вашингтоне подписали четырехстороннее — Евросоюз, США, Россия и Япония — межправительственное соглашение о разработке ITER, в 2001-м был завершен технический проект реактора. Через два года к проекту подключились Канада, Китай и Южная Корея. Место строительства было выбрано в 2005 году, и тогда же в состав участников вошла Индия. А 25 мая 2006-го было подписано соглашение о начале практической фазы проекта, и уже в декабре заключены первые 40 контрактов с персоналом.

Параллельно с токамаком ученые в Соединенных Штатах рассматривают альтернативные решения. Наиболее перспективным считается метод с инерционным удержанием плазмы. В этом случае топливные таблетки, содержащие дейтерий и тритий, нагреваются лазерными лучами или пучками ионов. При быстром нагреве таблетки сжимаются или взрываются, вынуждая ядра водорода сливаться с выделением энергии.

Пока вокруг проекта ITER велись дебаты, в июне нынешнего года в Калифорнии стартовал другой проект стоимостью 3,5 млрд долларов — National Ignition Facility (NIF, буквально — «национальный комплекс зажигания»). Комплекс состоит из 192 лазеров высокой мощности, лучи которых фокусируются на миниатюрном образце из дейтерия и трития. В феврале 2009-го на NIF были впервые опробованы все 192 лазера, и именно этому комплексу сегодня принадлежит рекорд мощности светового импульса — более одного мегаджоуля. Но до характеристик, требующихся для запуска термоядерной реакции, еще далеко. Как прогнозируют в самом центре, минимум год. И не исключено, что попытки будут тщетными.

Многие эксперты сомневаются и в экономическом эффекте лазерного метода, поскольку лазер сам по себе достаточно энергоемок. Однако американские власти рассматривают будущее NIF в контексте не энергетики, а обороны. С помощью этой установки армия США якобы сможет поддерживать в боеспособном состоянии свои арсеналы в условиях моратория на ядерные испытания.

Плюсы и минусы

Основное преимущество ядерного синтеза в том, что для него в качестве топлива требуется очень небольшое количество распространенных в природе веществ. Чтобы обеспечить работу тепловой электростанции мощностью 1 ГВт, необходимо десять тысяч тонн угля в день (десять железнодорожных вагонов), а термоядерная установка такой же мощности будет потреблять в день лишь около килограмма смеси дейтерия и трития. Дейтерий довольно легко добывать из воды: примерно в одной из каждых 3350 ее молекул один из атомов обычного водорода замещен дейтерием. Более сложным является получение трития. Однако предполагается, что тритий будет возникать прямо внутри термоядерной установки в процессе работы за счет реакции нейтронов с литием (опять-таки как в водородной бомбе).

По прогнозам профессора Оксфордского университета, бывшего председателя Совета ITER Кристофера Ллуэллин-Смита, термоядерная установка даже с учетом неидеальной эффективности сможет производить 200 МВт•ч электрической энергии, что эквивалентно сжиганию 70 тонн угля. Требуемое для этого количество лития содержится в одной батарее ноутбука, а дейтерия — в 45 литрах воды.

Превращать термоядерную энергию собираются, конечно, в электрическую. Некоторая ее часть должна использоваться для нагревания плазмы, а также для работы сверхпроводящих обмоток электромагнитов и других систем. В самой примитивной модели мощность термоядерной энергии оценивается в пять гигаватт. На выходе ожидается два гигаватта электричества, из которых полгигаватта пойдет на обеспечение процесса его получения. Более эффективная модель, согласно прогнозам, будет давать примерно 2,5 ГВт термоядерной энергии и 1,5 ГВт электричества на выходе.

Кроме того, в пользу термоядерной энергетики свидетельствует высокая внутренняя безопасность: используемая в термоядах плазма имеет очень низкую плотность — в миллион раз ниже плотности атмосферы. Вследствие этого рабочая среда установок никогда не будет содержать в себе энергии, достаточной для возникновения серьезных происшествий. Загрузка «топливом» должна производиться непрерывно, что позволяет легко останавливать работу установки, в отличие от АЭС. В случае полного отказа контура охлаждения радиоактивность стенок продолжит выделять тепло, но максимальная температура будет значительно ниже того значения, при котором установка расплавится.

Следующий аргумент — отсутствие долгоживущих высокорадиоактивных отходов. В ядерном реакторе при расщеплении ядра образуются два радиоактивных осколка, а в его стенках появляется наведенная радиация. При термоядерном синтезе камера, в которой происходит процесс, становится мягко радиоактивной, но побочных продуктов нет. Радиоактивный тритий имеет относительно небольшой период полураспада — 12 лет. При этом в плазме благодаря ее низкой плотности содержится очень небольшое количество трития, поэтому даже при гипотетическом полном разрушении оболочки реактора в окружающую среду поступит мизерное количество радиоактивного топлива.

Основным недостатком термоядерных реакторов является технологическая сложность осуществления самоподдерживающейся термоядерной реакции. Системы с магнитным удержанием требуют огромных сверхпроводящих магнитных катушек, глубокого вакуума и чистоты стенок реактора, умения утилизировать высокие тепловые и нейтронные потоки, дистанционного обслуживания реактора. Наконец, пока нет технических решений, способных преобразовывать в мирное электричество энергию, выделяющуюся во время термоядерного синтеза. Поэтому реактор ITER будет представлять собой экспериментальное устройство, не оборудованное даже турбинами для производства электроэнергии. Целью его создания является изучение условий, которые должны выполняться при работе таких энергетических установок. Ожидается, что на базе полученного опыта человечество сможет приступить к созданию настоящих, экономически выгодных электростанций. Это требует решения двух задач. Во-первых, необходимо продолжить разработку новых материалов, способных выдерживать суровые условия эксплуатации. Во-вторых, нужно решить много чисто технических задач и развить новые технологии, относящиеся к дистанционному управлению, конструкции оболочек, топливным циклам и т. д.

Окончательной фазой исследований станет DEMO: создание прототипа промышленного реактора, который сможет дать первую электроэнергию. По самым оптимистичным прогнозам, эта фаза завершится только через 30 лет. А от промышленного использования термоядерной энергии нас отделяет еще полвека.

Несколько лет назад нобелевский лауреат по физике, нынешний министр энергетики США Стивен Чу на конференции по проблемам энергетики сказал: «Я собираюсь пропустить в своем выступлении упоминания о термоядерных реакторах, потому что они, в свою очередь, собираются пропустить всё XXI столетие». Этот скепсис может развеять ближайшее десятилетие. Но при условии, что в 2010 году строительство экспериментальной установки всё-таки начнется.

КОММЕНТАРИЙ

Максим Благонравин

ВСЕМИРНЫЙ ДОЛГОСТРОЙ

Первая атомная бомба была взорвана 16 июля 1945 года в США. Через каких-то девять лет, 27 июня 1954-го, в СССР была запущена в эксплуатацию первая промышленная атомная электростанция (в Обнинске Калужской области).

Первую водородную б


Похожие записи:
  1. Определены финалисты Второго ежегодного национального конкурса инноваций, организованного журналом «Эксперт Украина». Изобретатели демонстрируют высокий научно-технический уровень своих разработок и непонимание законов рынка. Бизнес активен на этапе оценки и отбора перспективных проектов, однако пока не взаимодействует с новаторами на стадии внедрения
  2. Со времен кризиса 2000 года Интернет качественно изменился. Мы нашли пять новых трендов в жизни Всемирной паутины
  3. Проживающие в Германии иностранцы перечисляют в немецкий бюджет больше денег, чем получают через систему социальных трансферов. Выгоды немецкой экономики от мигрантов могли быть еще больше, если бы жесткое трудовое законодательство не закрывало дорогу высококвалифицированным специалистам
  4. Очередной раунд то прерывающихся, то возобновляющихся на протяжении семи лет переговоров ВТО провалился из-за неспособности стран договориться о либерализации торговли продовольствием
  5. Мировой лидер в разработке систем автоматизации производства американская Honeywell 10 февраля объявила о покупке российской компании «Петроком», специализирующейся на программном обеспечении и оказании консалтинговых услуг в сфере оптимизации нефтехимического производства.
  6. Многолетняя позиционная борьба немецких оборонных концернов вот-вот может обернуться масштабным переделом рынка военной продукции Германии. И не только Германии
  7. Крупнейшие производители автомобилей вынуждены корректировать свои стратегии, подстраиваясь под молодых амбициозных игроков. В поисках конкурентных преимуществ компании становятся все более изощренными и агрессивными