Искусственное солнце. Ученые приступили к сборке первого в мире термоядерного реактора. Что это значит?

28 июля во французской коммуне Сент-Поль-де-Дюранс, что к северо-востоку от Марселя, стартовала сборка международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР.

Успешная реализация проекта станет венцом почти полувековой истории исследований в сфере управляемого термоядерного синтеза и может совершить подлинную революцию в энергетике.

Теория вопроса

Традиционные и привычные нам атомные электростанции используют в своей работе процесс, известный как вынужденное деление атомного ядра: эффект, при котором некоторые атомные ядра, поглощая нейтроны, распадаются с выделением значительного количества энергии, а также новых нейтронов.

Каждый из них может инициировать новый распад ядер, в результате чего выделится ещё больше энергии и ещё больше нейтронов – начнётся так называемая цепная реакция. За короткое время реакция может охватить значительное количество атомов и привести к выделению больших объёмов энергии – произойдёт ядерный взрыв.

Если же контролировать этот процесс, следя за тем, чтобы в единицу времени высвобождалось чётко определённое число нейтронов и распадалось одно и то же число атомов, то получается управляемая реакция деления, в которой чудовищная энергия ядерного взрыва выделяется дозировано – на протяжении месяцев или даже лет.

Именно так работает ядерный реактор, а точнее, ядерный реактор деления.

 Южноукраинская АЭС

Дело в том, что вынужденное деление атомных ядер не единственный ядерный процесс, ведущий к выделению энергии. То же самое, и даже в больших количествах, происходит и при обратном процессе, в ходе которого два атомных ядра "склеиваются", образуя более тяжёлое. Этот процесс называется ядерным (чаще - термоядерным) синтезом.

Именно ядерный синтез является, например, источником энергии для нашего Солнца: в его недрах ядра атомов водорода сливаются, образуя атомы гелия, а выделяющаяся в ходе этого энергия освещает и обогревает всю Солнечную систему, включая Землю и нас с вами.

В некотором смысле можно сказать, что энергия ядерного синтеза – самый древний источник энергии, который когда-либо использовало человечество. Только источник этой энергии, гигантский реактор под названием "Солнце", был создан не нами и человеком никак не управляется.

Самостоятельно инициировать реакцию ядерного синтеза мы тоже уже научились: именно она является источником энергии термоядерных бомб – самого мощного оружия в арсенале человечества.

А как насчёт управляемой термоядерной реакции – эдакого искусственного солнца под нашим контролем?

В чём проблема?

Термоядерный синтез – довольно капризная штука: для того, чтобы атомные ядра могли сливаться, их нужно поместить в довольно экзотические условия, характеризующиеся большими температурами (десятки миллионов градусов) и давлениями (миллиарды атмосфер). В центре Солнца такие условия реализуются благодаря собственной гравитации светила: внешние слои газа сжимаются под её действием, спрессовывая и нагревая внутренности Солнца как раз до нужных параметров.

Но как добиться этого на Земле? Никакие компрессоры и нагреватели не способны сжать газ до таких давлений, а если каким-то образом это удастся сделать, то конструктивные элементы таких устройств не выдержат контакта с субстанцией, разогретой до столь высоких температур.

Впрочем, способ обойти эту проблему придумали достаточно быстро: для сжатия газа можно использовать "нематериальные" электромагнитные поля.

Действительно, атомные ядра имеют положительный заряд (собственно, именно поэтому их так сложно "склеивать" между собой: электростатические силы заставляют их отталкиваться), а значит, чувствительны к воздействию таких полей. Создав поле определённой конфигурации, газ, состоящий из "очищенных" от электронных оболочек атомных ядер (плазму) можно эффективно сжимать.

Например, плазму можно поместить внутрь катушки из проводника, по которой пропускают мощный электрический ток. В результате образуется электромагнитное поле, сжимающее плазму в направлении центра катушки. Если теперь замкнуть конструкцию в форму тора (проще говоря, бублика), то процесс можно "зациклить" и добиться "внутрисолнечных" значений давлений и температур.

К сожалению, между теорией и практикой, как это часто бывает, лежит пропасть в виде массы технических и технологических проблем, перешагнуть которую, создав стабильно работающий термоядерный реактор, пока так и не удалось.

Сердце ИТЭР

Возможно, ИТЭР позволит изменить положение вещей. Ставки довольно высоки: бюджет проекта превышает 25 миллиардов долларов, а для его реализации объединились такие разные страны, как государства ЕС, США, Россия, Китай, Индия, Южная Корея и Япония. Ради чего же идут на такие жертвы?

Почему это важно?

Классические ядерные реакторы деления зарекомендовали себя как отличный источник дешёвой электроэнергии.

К примеру, в Украине стоимость 1 "атомного" киловатт-часа составляет около 60 копеек, тогда как 1 киловатт-час, сгенерированный тепловыми станциями, стоит около 2 гривен.

Сегодняшние тарифы на электроэнергию в Украине таковы, какие они есть, в первую очередь потому, что в советское время на территории страны построили много атомных энергоблоков. Если бы не это, сегодня электричество обходилось бы нам гораздо дороже.

Однако у ядерных реакторов деления есть масса недостатков, которые, как полагают во многих странах, нивелируют их достоинства.

Первая и самая очевидная проблема - безопасность. Управление реакцией деления – вечный бег по острию бритвы, когда малейшая ошибка чревата катастрофой уровня Чернобыля или Фукусимы.

С реакторами термоядерного синтеза эта проблема существенно менее остра: даже при полной потере контроля над процессами в активной зоне реактора реакция просто прервётся.

Вторая проблема реакторов деления – для них нужно весьма специфическое топливо, запасы которого пусть и велики, но всё-таки ограничены. Например, изотоп уран-235, поддерживающий цепную реакцию деления, содержится в природном уране в количестве лишь 0,7%. Для того чтобы получить топливо, которым можно набить ядерную "топку", этот "топливный" уран нужно отделить от "мусорного", что представляет собой немалую проблему. Да и вообще, этот уран, как ни крути, рано или поздно закончится. Причем, по всей видимости, скорее рано, чем поздно: по имеющимся оценкам, современной атомной энергетике мировых запасов урана-235 хватит примерно на 85 лет.

Для реакторов термоядерного синтеза эта проблема не стоит: теоретически они могут работать на обычном водороде, который можно легко добыть просто из воды. То есть освоение технологии термоядерного синтеза даст человечеству почти неисчерпаемый источник энергии. И даже если использовать не водород, а его более редкий тяжёлый изотоп дейтерий.

Третья проблема – ядерные отходы, которые в реакторах деления оказываются куда более токсичными и радиоактивными, чем исходное топливо. На переработку и захоронение таких отходов уже сегодня тратятся существенные усилия, которые не исключают утечки и опасных загрязнений окружающей среды. Термоядерные реакторы таких отходов либо на дают вообще, либо производят радиоактивные вещества с малыми периодами полураспада, которые станут совершенно безопасны после короткого периода хранения.

То есть плюсов множество – при условии, конечно, что удастся в полной мере преодолеть технические проблемы, мешающие созданию термоядерного реактора.

Возможно, ИТЭР станет решающей вехой на этом пути.

Конструкция искусственного солнца

Реактор ИТЭР позиционируется и как экспериментальный, и как промышленный. В этом его отличие от существующих сегодня (или существовавших ранее) чисто экспериментальных реакторов.

С ними ставили цель добиться термоядерной реакции, которая даёт энергии больше, чем потребляется на сжатие и нагрев плазмы, а также на другие потребности. Объём генерируемой энергии большой роли не играл.

ИТЭР в разрезе

В ИТЭР же планируется вырабатывать уже вполне значительные объёмы энергии: авторы планируют выйти на мощность в 700 мегаватт, что уже сравнимо с атомными реакторами деления.

Тем не менее, реактор всё ещё будет экспериментальным: он предназначен не столько для того, чтобы производить энергию, сколько для того, чтобы отработать и изучить процессы, происходящие в больших термоядерных реакторах и в будущем построить более совершенные модели.

В ИТЭР будет использоваться реакция слияния тяжёлых изотопов водорода: дейтерия (1 протон, 1 нейтрон) и трития (1 протон, два нейтрона). Эта реакция интересна тем, что возможна при наименее "жёстких" условиях (в смысле температуры и давления), но обладает серьёзными недостатками. Первый из них – редкость и дороговизна трития (1 килограмм которого стоит около 30 миллионов долларов), который к тому же является довольно радиоактивным (то есть плох с точки зрения ядерной безопасности). Так что электричество, которое будет производить ИТЭР, вряд ли выйдет дешёвым. Однако, отработав технологию на дейтериево-тритиевой реакции, в дальнейшем можно перейти на другие, более удобные реакции – к примеру, дейтериево-дейтериевую, дейтериево-гелиевую и т.п.

Реакторная камера, вид изнутри

Есть и другой вариант: в теории редкий и дорогой тритий можно будет производить… непосредственно в реакторе. Дело в том, что тритий можно довольно просто получать, облучая нейтронами литий. Нейтронный поток образуется в ходе самой дейтериево-тритиевой реакции, иными словами, в теории есть возможность для создания почти замкнутого топливного цикла: обложив "бублик" реактора кассетами с литием, можно будет получать достаточное количество трития, которым в будущем можно будет "заправлять" реактор. По расчётам, его должно хватить. Но все расчёты нуждаются в проверке на практике.

И это далеко не единственный вопрос, который предполагается выяснить. К примеру, для ИТЭР разрабатывают целые классы новых материалов, такие как специальная сталь 03Х16Н15М3, которая по прогнозам должна долгое время сохранять прочность в мощном нейтронном потоке, а также сверхпрочные и тугоплавкие соединения на базе вольфрама, молибдена и других материалов.

Ядерные физики всех стран, объединяйтесь!

Как мы уже упоминали, расходы на проект делят между собой ЕС, США, Россия, Китай, Япония, Индия, Южная Корея, Казахстан и другие страны. Можно пересчитать по пальцам проекты, при реализации которых подобные страны, в большинстве ситуаций являющиеся соперниками, а то и врагами, ухитрялись достичь взаимопонимания и работать сообща. Помимо ИТЭР, в этом качестве можно назвать разве что Большой адронный коллайдер.

Разгадка проста: как и Большой адронный коллайдер, ИТЭР, вероятно, слишком дорог и сложен для того, чтобы быть реализованным одной страной или группой стран. Задачи такого уровня буквально приходится решать всем миром.

В частности, Россия поставляет для ИТЭР сверхпроводящие магниты (ранее их же россияне поставляли и для коллайдера) и магнитные катушки, генераторы сверхвысоких частот (тиротроны), используемые для нагрева плазмы, кассеты для перехвата нейтронов (т.н. бланкеты) и многое другое.

При этом важно подчеркнуть: ИТЭР является в первую очередь грандиозной экспериментальной установкой, эдакой моделью в натуральную величину. И полученные в ходе его эксплуатации данные затем будут использоваться в национальных программах уже в интересах каждой конкретной страны-участницы. И здесь уже вопрос в том, кто сможет использовать эти данные наиболее эффективно.

В той же России есть целый ряд собственных проектов в сфере термоядерной энергетики – например, запущенный в 1999 году экспериментальный реактор "Глобус-М" (в 2018 году заработала модернизированная версия "Глобус-М2"). Не сидят сложа руки и другие участники проекта: достаточно вспомнить китайцев с их EAST, запущенным в 2006-м, американцев с NSTX (1998 год) и так далее.

Окончание строительства ИТЭР намечено на 2025 год. И – кто знает? – возможно, эта дата станет началом принципиально новой эпохи в энергетике.