Наверх
17 ноября 2019
USD EUR
Погода
Без рубрики

Архивная публикация 2002 года: "Термоядерный мир"

Борьба человечества за выживание подходит к решающему моменту. Через 50—80 лет нас ждет возвращение в каменный век — основные источники электроэнергии на планете закончатся. Рецепт спасения пока один — термоядерная энергетика, топливом для которой служит простая вода. Начало строительства международного термоядерного реактора ожидается уже в будущем году.В конце концов

Суть сверхзадачи по созданию нового источника энергии сводится к тому, что это чудо должно быть «неразборчивым в еде», потреблять в качестве топлива что-то недорогое, чего на Земле очень много, и при этом быть максимально безопасным. Есть и еще одно немаловажное условие: новый источник должен заработать раньше того момента, когда на Земле исчерпаются основные виды невозобновляемых энергоресурсов. К слову сказать, нефть должна закончиться лет через 40, газ — максимум через 80, уран — через 80—100 лет. Запасов угля может хватить лет на 400. Но, во-первых, по мере истощения легкодоступных месторождений будет дорожать его добыча. К тому же обеспечить хотя бы нынешний уровень энергопотребления при помощи одного угля — значит, поставить планету за грань экологической катастрофы: «угольные» станции выбрасывают в атмосферу в 100 раз больше сернистого газа, чем «газовые», и в десятки раз больше радиоактивных веществ, чем АЭС. Следовательно, ни о каких столетиях речи быть не может — альтернативный источник энергии нам необходим уже, в общем-то, в обозримом будущем.
Навоз и ныне там

То, что альтернативные источники энергии на дороге не валяются и что решение энергетической проблемы потребует огромных денег и усилий, фундаментальной науке стало ясно уже довольно давно. Но сложность и дороговизна как раз и вдохновляли целые полчища «эйнштейнов» и «кулибиных» на поиски быстрого и дешевого решения. Искали буквально везде — в прямом смысле от навоза, из которого можно получать бензин, до духовной субстанции, которая, по небесспорному мнению, может входить в гравитационное взаимодействие с материей и выделять энергию. Пока большего прогресса добилось биологическое направление «экономной» научной мысли. В Бразилии, например, научились добывать горючее из тростниковой биомассы, в Новой Зеландии — из цитрусов. В Германии бурно развивается ветряная энергетика. Как предсказывают в местном Институте энергии ветра DEWI, к 2030 году ветряки в этой стране будут обеспечивать до 30% потребления электроэнергии. Но это в одной отдельно взятой и не очень большой стране. В мировом же масштабе доля альтернативной энергетики не достигает и одного процента, и сейчас нет никаких оснований полагать, что в ближайшие годы эта доля серьезно возрастет, — на Земле не так много мест, где использование вышеперечисленных альтернативных способов получения энергии было бы эффективным.
Еще более впечатляющее новшество — правда, уже в атомной энергетике — представляет собой так называемый реактор на быстрых нейтронах. Если на обычных реакторах (на тепловых нейтронах) используется лишь 5% природного урана, то «быстрый» реактор сможет сжигать 60%, то есть он в 12 раз эффективнее обычного. Экспериментальный «быстрый» реактор уже 20 лет работает на Белоярской АЭС. Как заявляет генеральный директор государственного концерна «Росэнергоатом» Олег Сараев, строительство коммерческого реактора на быстрых нейтронах намечено на 2009 год.
Более дальний и «революционный» проект — применение в качестве топлива водорода. Экспериментальные автомобильные двигатели на «водородной тяге» существуют уже сегодня, а к 2010 году, если верить заявлениям представителей французского концерна Renault, они будут запущены в серийное производство. Однако для получения водорода в промышленных масштабах требуется атомный реактор. А это значит — уран, о близости исчерпания запасов которого на планете уже было сказано.
Таким образом, при всех прелестях перечисленные технологии позволяют лишь отсрочить истощение энергоресурсов и выиграть время для создания и внедрения «абсолютно альтернативного» источника энергии, который был бы и эффективен, и безопасен, и экологически чист, и работал бы на «бросовом» топливе. С точки зрения современной физики всеми перечисленными качествами может обладать только такой источник энергии, принцип работы которого основан на реакции термоядерного синтеза.
Правила деления

Прежде всего, что такое термоядерный синтез?
Существует только два типа ядерных реакций, сопровождающихся существенным выделением энергии. Первый — реакции деления (расщепления), которые используются в атомной энергетике (деление ядер). Второй — реакции слияния (синтез), на которых планируется базировать энергетику термоядерную (слияние ядер). Обе реакции были впервые проведены на земле в виде испытаний атомной (деление) и водородной (слияние) бомб.
В атомной энергетике применяется радиоактивный уран (причем тысячами тонн) — делятся его тяжелые ядра. В термоядерной энергетике задействованы абсолютно нерадиоактивный дейтерий и радиоактивный тритий. Но если атомный реактор «съедает» тысячи тонн урана, то в термоядерном реакторе речь идет об использовании десятков килограммов трития. В целом содержание радиоактивных материалов в термоядерной энергетике будет примерно в 1000 раз меньше, чем в атомной. И даже в аварийных ситуациях, по самым пессимистическим расчетам, радиоактивный фон вблизи термоядерной электростанции не будет заметно превышать природные показатели.
При этом термоядерные реакции сопровождаются выделением огромного количества энергии — на единицу веса термоядерного топлива получается примерно в 10 млн. раз больше энергии, чем при сгорании органического топлива, и примерно в 100 раз больше, чем при расщеплении ядер урана.
Отходами слияния дейтерия с тритием являются гелий и нейтроны. Гелием надувают воздушные шарики, он совершенно безопасен. А вот нейтроны будут облучать стенки камеры реактора. Но в данном случае радиоактивность не создает особых проблем. Облученной камере достаточно простоять в обычном (без особых условий) помещении от 10 до 30 лет — и с ней снова можно будет работать. Соответственно исключаются проблемы выброса радиоактивных веществ в атмосферу, захоронения отработанного ядерного топлива и распространения ядерных материалов и технологий. Для сравнения: отходы обычного атомного реактора опасны от 30 до 1000 лет и нуждаются в особых условиях хранения, что обходится недешево.
Особое качество термоядерного реактора — высокий уровень собственной, так называемой внутренне присущей безопасности. Не вдаваясь в научную терминологию, собственную безопасность можно объяснить тем, что при аварийном энерговыделении в реакторе естественным образом (в соответствии с законами физики) падает температура. А это приводит к торможению и полному прекращению энерговыделения. Следовательно, «разгон» и последующий неуправляемый выброс радиации по «чернобыльскому образцу» в термоядерном реакторе принципиально невозможен.
Что же касается базовой энергетической проблемы сегодняшнего дня — истощения запасов энергоресурсов, то запасы топлива для термоядерного реактора на земле практически не ограничены. Дейтерий содержится в воде — и в морской, и в пресной. А тритий получают из лития, мировых запасов которого может хватить энергетикам всех стран на многие века.
Таким образом, искомое найдено: термоядерный реактор является, по сути, идеальным энергетическим источником — с неограниченными запасами топлива и настолько безопасным и экологически чистым, что его без риска для генофонда можно расположить вблизи любого мегаполиса.
Только имеется одна проблема. Слияние ядер дейтерия и трития интенсивно протекает лишь при температуре порядка 100 млн. градусов по Цельсию — на поверхности Солнца «только» 6 млн. градусов. Такую температуру не может выдержать ни один из земных материалов.
Красная жара

Первые идеи насчет того, как можно «обмануть» 100 млн. градусов, появились еще до первых испытаний водородной бомбы — в начале 1950-х годов. В нашей стране у истоков этих исследований стояли академики Игорь Тамм и Андрей Сахаров. «Обман» состоит в следующем: при столь высоких температурах смесь дейтерий-тритий (как и любое другое вещество) переходит в плазменное состояние. А на плазму можно воздействовать магнитным полем и не подпускать ее к стенкам камеры, предотвращая их нагревание. Принцип магнитного удержания нашел свое применение в разработанной в СССР магнитной ловушке, получившей название «токамак».
Практически одновременно в условиях строжайшей секретности аналогичные исследования начались в США и Англии. В Америке магнитную ловушку назвали «стелларатор», в Англии — «зета». Причем если американцы и англичане как-то обменивались информацией, то СССР, как ему было свойственно, вел работы совершенно самостоятельно. Однако именно советские ученые первыми пришли к выводу, что индивидуально решить проблему фактически невозможно. Более того, они сумели убедить в этом правительство. И во время визита в Великобританию Никиты Хрущева в 1956 году академик Игорь Курчатов сделал соответствующий доклад в английском ядерном центре Харуэлл. Такого шага от «источника коммунистической заразы» никто не ожидал. Тем более что английские физики услышали от Курчатова о термоядерном синтезе куда больше, чем знали сами. В ответ в течение года свои исследования рассекретили все занимавшиеся к тому времени термоядом страны: США, Великобритания, Германия и Франция. Началась эра международного сотрудничества. В процессе этого сотрудничества, которое не прекращалось даже во время обострений отношений между СССР и Западом, американские и английские ученые постепенно убедились в превосходстве токамака и «заморозили» свои национальные проекты. Токамак и по сей день является мейнстримом.
На сегодняшний день экспериментальные токамаки имеют практически все развитые страны. Но желаемого результата — получения значительного количества положительной энергии — не достигла еще ни одна установка. Где-то недостаточная температура, где-то с температурой все в порядке (сейчас достигнут результат аж в 200 млн. градусов), но плазма не имеет нужной плотности и т.д.
В России, а вернее в Советском Союзе, последний крупный токамак (такого же класса, как токамаки в США, Великобритании и Японии) был построен в 1988 году. Однако он так и не заработал — прекратилось финансирование, и на запуск этой установки элементарно не хватило денег.
Впрочем, несмотря на финансовую несостоятельность, сейчас Россия является активнейшим участником самого крупного и многообещающего международного проекта ИТЭР — строительства мощнейшего токамака всех времен и народов, первого реального термоядерного реактора. Этот проект начал разрабатываться 10 лет назад. Кроме нас в нем участвуют США, Евросоюз и Япония.
По словам главного специалиста Института термоядерного синтеза Российского научного центра «Курчатовский институт» Георгия Елисеева, ИТЭР будет последней крупной экспериментальной термоядерной установкой. После реализации этого проекта (о сроках скажем чуть позже) все страны-участницы, включая Россию, приступят к разработке уже коммерческих термоядерных реакторов.
Мощность ИТЭРа составит не менее 1,5 тыс. МВт (предельная мощность реакторов АЭС на сегодняшний день). Но, являясь исключительно экспериментальным, этот реактор не будет работать на сеть.
Главная проблема строительства ИТЭР заключается в его дороговизне. Дело в том, что эффективность «магнитной ловушки» пропорциональна размерам реактора. Следовательно, чтобы добиться эффекта, приходится строить сразу крупный и, следовательно, дорогой токамак.
Изначально планировалось, что ИТЭР обойдется в $9 млрд. За счет модернизации проекта его стоимость снизилась вдвое — до $4,7 млрд. Распределение долей между странами-участницами рассматривается в настоящее время. Наш вклад будет главным образом интеллектуальным.
Пространство и время

В данный момент проект ИТЭР находится на стадии выбора площадки под строительство. Это тоже представляет собой определенную проблему. Например, западно-европейские партнеры никогда не поддерживали идею строительства токамака на территории США. Как выражаются некоторые ученые, «потом его оттуда не заберешь». Заманчивее выглядит предложение Японии, которая в обмен на размещение токамака на ее территории готова взять на себя две трети расходов. Но многих западных партнеров останавливает то, что в Японии трудно жить неяпонцам. Из Европы и Америки в эту страну едут работать неохотно. Французы предлагают разместить ИТЭР под Марселем, испанцы — под Барселоной и т.д.
Раньше были предложения и от России. Мы хотели строить ИТЭР в Ленинградской области. Но сейчас Россия уже ничего не предлагает. Для реализации проекта необходима развитая инфраструктура, мощные, мобильные, по западным меркам, предприятия, строительные организации и т.д. На текущий момент этого у нас нет.
Выбор площадки, вслед за чем сразу же начнется строительство, должен произойти в конце нынешнего — начале будущего годов. Само строительство продлится восемь лет, а проработает токамак лет двадцать. Но многие принципиальные результаты могут быть получены в течение первых 5—8 лет, что позволит начать разработку уже не международного, а национального проекта — пилотного серийного термоядерного реактора.
Пилотный коммерческий токамак, вероятно, будет строиться тоже около 8—10 лет. Таким образом, учитывая время создания ИТЭР и время для экспериментов, получить термоядерный реактор в промышленную эксплуатацию, по оптимистическим расчетам, мы сможем к концу 2020-х годов.
Как считает Георгий Елисеев, скорость внедрения токамаков в народное хозяйство может быть сопоставима с распространением атомной энергетики. В 1954 году была построена первая АЭС, а через 20 лет на долю атома в цивилизованном мире уже приходилось около трети всей вырабатываемой электроэнергии. В России в настоящее время АЭС вырабатывают только 15%. Но это главным образом обусловлено огромными запасами нефти и газа в нашей стране. А к 2030 году их вряд ли можно будет назвать огромными. Так что пора торопиться.

МИХАИЛ СИДОРОВ

Больше интересного на канале: Дзен-Профиль
Скачайте мобильное приложение и читайте журнал "Профиль" бесплатно:
Самое читаемое

Зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность скачивания номеров

Войти через VK Войти через Google Войти через OK