Когда путь важнее цели. Сколько нам еще остается до полноценной термоядерной энергетики?

в 9:11, , рубрики: ITER, будущее здесь, Научно-популярное, термоядерная установка, физика, экология, энергетика, Энергия и элементы питания

Когда путь важнее цели. Сколько нам еще остается до полноценной термоядерной энергетики? - 1

Так выглядел строящийся комплекс ITER в феврале 2020 года. ITER может стать первой установкой, которая позволит получить «горящую» или самоподдерживаемую термоядерную плазму. В этом строящемся сооружении будут расположены термоядерный токамак и системы его обеспечения. Фото из архива ITER

На Хабре не обошли вниманием новость о том, что Китай запустил новый токамак, HL-2M Tokamak. Эта новость особенно интересна тем, что освежает в памяти историю о печальном долгострое нашего века — будущем термоядерном реакторе ITER, который возводится силами всей Европы на юге Франции и должен стать первым подобным устройством, которое могло бы производить больше энергии, чем потребляет само. Тем не менее, с сожалением отметим, что и HL-2M, и даже ITER удручающе далеки от полноценной термоядерной электростанции.

Не будем вдаваться в детали устройства токамаков и самого ITER – эти темы в изобилии рассмотрены во всевозможных источниках, например, в вышеупомянутой хаброновости. Под катом речь пойдет о том, какой путь открывает перед нами ITER (в переводе с латыни «iter» означает «путь»), и почему этот путь оказался извилист как восьмерка стелларатора.

Начало

Можно сказать, что все началось еще в 1920-е, когда Артур Эддингтон предположил, что Солнце и звезды могут гореть благодаря преобразованию водорода в гелий. Эту идею быстро подхватили журналисты и фантасты, полагавшие, что обуздать энергию Солнца не составит труда, и сырьем для топлива подобного реактора может стать самая обычная вода.

Как известно, термоядерная реакция с физической точки зрения противоположна ядерной. Если при ядерной реакции тяжелое ядро расщепляется на более легкие, то при термоядерной легкие ядра сливаются в несколько более тяжелые. Самая известная ядерная реакция – это деление ядра урана:

Когда путь важнее цели. Сколько нам еще остается до полноценной термоядерной энергетики? - 2

Это типичная последовательность, выстраивающаяся в ядерном реакторе на АЭС.
Термоядерные реакции, напротив, протекают преимущественно с участием гелия и водорода, и приводят к образованию более тяжелых изотопов из более легких. В звездах главной последовательности наиболее типична следующая термоядерная реакция:

Когда путь важнее цели. Сколько нам еще остается до полноценной термоядерной энергетики? - 3

Подробно о термоядерном синтезе и вариантах конструкции термоядерного реактора рассказано в замечательной статье, опубликованной на Хабре Михаилом Сваричевским в 2013 году. Там же можно почитать скептический авторский вердикт, в соответствии с которым полноценная термоядерная энергетика – дело далекого будущего. Статья действительно огненная:

Когда путь важнее цели. Сколько нам еще остается до полноценной термоядерной энергетики? - 4

Пока отметим, что технические сложности, вставшие на пути создания термоядерной электростанции, оказались столь серьезными, что периодизация ее развития несопоставима с темпами развития атомной энергетики. Хронология:

Деление ядра

1939 – открытие (Л. Мейтнер и О. Фриш)
1942 – ядерный реактор Энрико Ферми («Чикагская поленница») – управляемая ядерная реакция
1945 – первое ядерное испытание (Тринити) и бомбардировка Хиросимы и Нагасаки – неуправляемая ядерная реакция
1956 – первая атомная электростанция (Обнинск)
1986 – авария на Чернобыльской АЭС

Ядерный синтез

1926 – гипотеза (А. Эддингтон) высказана в статье «Внутреннее строение звезд»
1934 – Э. Резерфорд синтезировал гелий из трития
1952 – в СССР осуществлен первый термоядерный взрыв (водородная бомба, неуправляемая реакция)
1954 – в СССР построен первый токамак
……
2025 – ожидается, что будет запущен ITER.

Тем не менее, в бюллетене IAEA за 2019 год идея создания термоядерной электростанции обсуждается совершенно серьезно и даже буднично. Приведено три условия, которые должны выполняться на полноценной термоядерной электростанции:

  1. Очень высокие температуры (свыше 100 миллионов градусов Цельсия)
  2. Достаточная плотность частиц в плазме (где и протекает реакция) – что повышает вероятность соударений между частицами
  3. Достаточно прочный конфайнмент, предотвращающий возможные утечки плазмы и обеспечивающий стабильно идущую термоядерную реакцию.

Далее в документе следует оговорка, что наиболее успешной конструкцией термоядерного реактора в настоящее время является именно токамак.

Если вы еще не успели ознакомиться с приведенными выше ссылками и освежить в памяти, как выглядит и работает токамак – коротко остановимся на этом вопросе.

Токамак – это сложносокращенное слово, означающее «тороидальная камера с магнитными катушками». Первый токамак был сконструирован в 1954 году в СССР, а термин предложен только в 1957 году. На Западе интерес к строительству токамаков возник значительно позже, в 1968 году, после того, как с подобным устройством в институте Курчатова познакомилась группа английских ученых, убедившихся в его работоспособности. Итак, токамак – это исходно вакуумная камера тороидальной формы, наполняемая смесью дейтерия и трития, тяжелых изотопов водорода. Стенки токамака, естественно, не в состоянии удерживать внутри горячую плазму, в которой идут термоядерные реакции, поэтому плазма удерживается в тороидальной камере при помощи сильнейших магнитных полей и, будучи там, напоминает по форме шнур.

Когда путь важнее цели. Сколько нам еще остается до полноценной термоядерной энергетики? - 5

Важнейшим физическим показателем, позволяющим судить, будет ли термоядерная реакция давать больше энергии, чем потребляет реактор, является критерий Лоусона, сводящийся к следующей формулировке:

Чтобы термоядерный синтез стал источником энергии, произведение плотности частиц и времени их удержания на предельно близком расстоянии друг от друга должно превышать определенную величину.

В настоящее время наиболее энергетически выгодной термоядерной реакцией считается термоядерный синтез с участием двух изотопов водорода: дейтерия и трития. При слиянии ядра дейтерия и ядра трития образуется ядро гелия плюс очень высокоэнергетический нейтрон. При соблюдении нужных условий выделяющаяся при этом энергия является достаточной для дальнейших термоядерных реакций. Кроме того, дейтериево-тритиевая реакция является наиболее целесообразной с практической точки зрения, так как в ходе нее проще всего преодолевается кулоновский барьер, и эту реакцию наиболее удобно поддерживать в искусственно созданных условиях.

Следует отметить, что наряду с парой дейтерий-тритий рассматриваются еще три варианта термоядерных реакций, которые потенциально могут быть применимы в промышленности. Вот они все:

  1. Дейтерий + дейтерий (тритий и протон 4,0 МэВ),
  2. Дейтерий + дейтерий (гелий-3 и нейтрон, 3,3 МэВ),
  3. Дейтерий + тритий (гелий-4 и нейтрон, 17,6 МэВ),
  4. Дейтерий + гелий-3 (гелий-4 и протон, 18,2 МэВ).

К четвертой реакции, наиболее выгодной с энергетической точки зрения, мы еще вернемся ниже.

Немаловажным фактором, ограничивающим ресурсную базу для термоядерной энергетики, является необходимость добычи дейтерия и производства трития. Остановимся на ней подробнее.

Размножение трития

Дейтерий относительно широко распространен в природе, и его можно в достаточном количестве извлекать из морской воды. Тритий же, хотя и присутствует в природе, слишком редок, чтобы добывать его в полезных объемах. Поэтому его придется промышленно синтезировать. В настоящее время тритий добывают из охладителя реакторов, работающих на тяжелой воде, либо получают путем бомбардировки литиевых мишеней в реакторах на легкой воде.

Предполагается, что для работы одной 500-мегаваттной термоядерной электростанции потребуется около 50 килограммов тритиевого топлива в год. Эта величина не только намного превышает возможности современной промышленности, позволяющей получать около 2-3 кг трития в год, но и не учитывает стоимость производства, которая будет достигать миллиардов долларов. Соответственно, термоядерная энергетика требует разработки метода, который позволил бы размножать тритий прямо на станции. К счастью, таким методом потенциально может стать сама термоядерная реакция.

Окружив токамак литиевым бланкетом, можно (с выделением тепла) получать тритий, когда ядра лития будут захватывать образующиеся при синтезе нейтроны и спонтанно превращаться в тритий. В настоящий момент находятся в разработке технологические решения, необходимые для сбора трития, образующегося таким образом.

Далее уместен вопрос: так ли экологически чиста и энергетически выгодна термоядерная энергетика? Здесь следует процитировать некоторые возражения, приведенные в вышеупомянутой статье Михаила Сваричевского:

  1. Термоядерная энергия — вовсе не такая кристально чистая. На единственной реалистичной на данный момент реакции D+T поток нейтронов, который сделает радиоактивными любые элементы конструкции — в ~10 раз выше, чем в обычных реакторах на той же мощности. Корпус реактора придется менять раз в 5-10 лет.
  2. Человечество безусловно достигнет показателя Q=10 (получаем в 10 раз больше термоядерной энергии, чем тратим). Этого показателя вероятно удастся достигнуть на токамаке ITER в 2030-х годах и позднее.
  3. Несмотря на достижение Q=10, термоядерные реакторы будут намного дороже, чем классические урановые из-за более сложной конструкции, более короткого срока службы корпуса и сверхпроводящих магнитов. Термоядерные реакторы также не смогут быть маленькими (как например плавучая мини-АЭС)
  4. Термоядерного топлива не много — тритий очень дорог и дефицитен. Получение его не проще и не дешевле, чем получение плутония из отходов урана или U-233 из тория.
  5. Гелий-3 — никак не помог бы человечеству, даже если бы его были горы на земле. Паразитная реакция D+D все равно будет давать радиацию, а оптимальная температура — миллиард градусов, намного сложнее D+T над которой бьется человечество на данный момент.

А вот что отмечает по поводу экологичности термоядерных электростанций IAEA:

Простейший процесс термоядерного синтеза протекает с участием двух изотопов водорода: дейтерия и трития. Тритий радиоактивен, но период его полураспада невелик (12,32 года). Он используется лишь в незначительных количествах и, следовательно, не представляет такой опасности, как долгоживущие радиоактивные ядра. В результате такой реакции дейтерия с тритием образуется атом гелия (инертного газа) и нейтрон. Энергию этих продуктов (атома и нейтрона) можно собирать для запитывания реактора и выработки электричества соответственно. Следовательно, от термоядерных реакций не остается долгоживущих радиоактивных отходов. Но в процессе синтеза образуются активированные нейтронами материалы, окружавшие плазму. Иными словами, когда нейтроны (продукт реакции синтеза) попадают в стенки реактора, сам реактор и его компоненты становятся радиоактивными. Поэтому при строительстве термоядерных электростанций в перспективе придется оптимизировать их конструкцию таким образом, чтобы свести к минимуму такую нейтронную радиоактивность и объем радиоактивных отходов, образующихся в результате.

Таким образом, ITER можно считать не столько супертокамаком, сколько тестовым прототипом термоядерной электростанции, который позволит оценить стоящие перед индустрией технологические и экологические вызовы. Среди них: размножение трития, контроль плазмы, продвинутая диагностика, борьба с износом конструкций. Кроме того, предстоит выяснить, как долго корпус реактора способен выдерживать воздействие горячей плазмы.

Как и любая перспективная технология, термоядерная энергетика уже порождает свои «стартапы». Вот важнейшие из них:

  1. TAE Technologies. Компания TAE (Ирвайн, штат Калифорния) более 20 лет занимается разработкой подхода под названием «обращенная магнитная конфигурация». Технология TAE основана не на дейтериево-тритиевом синтезе (DT), а на потенциально перспективном синтезе водорода и бора. Хотя, запустить такую реакцию гораздо сложнее – нужны температуры на порядок выше, чем при DT – реакция не дает побочного продукта в виде высокоэнергетических нейтронов, осложняющих дейтериево-тритиевый синтез. Технология FRC предполагает магнитный метод удержания тороидальной плазмы (см. ниже).

    Когда путь важнее цели. Сколько нам еще остается до полноценной термоядерной энергетики? - 6

  2. Commonwealth Fusion Systems (CFS). Это проект-спинофф, развиваемый Центром по изучению физики плазмы и термоядерного синтеза при Массачусетском технологическом институте. В CFS придерживаются классического подхода с использованием токамака, но используют новейшие технологические достижения, которые просто не могли быть учтены при проектировании ITER. Важнейшим из них является использование сверхпроводящего материала REBCO на основе оксидов редкоземельных металлов, бария и меди (ITER использует в аналогичном качестве ниобиево-оловянный сплав). Предполагается, что такая технология позволит сконструировать более компактные, эффективные и дешевые магниты.
  3. General Fusion. Эта компания расположена в канадском Ванкувере и прорабатывает один из самых революционных подходов, именуемый «синтез замагниченной мишени» (MTF). В конструкции MTF применяется сфера, заполненная литиево-свинцовой смесью. Под воздействием магнитов смесь приобретает форму воронки, и далее через нее пропускаются магнитные импульсы, генерирующие в жидком металле своеобразную ударную волну и сжимающие плазму до концентрации, при которой должен начаться термоядерный синтез. Выделяемое при этом тепло используется для генерации электричества.
  4. Tokamak Energy. Эта компания, работающая в Великобритании, стремится запустить традиционный термоядерный синтез с использованием токамака, но использует токамак, напоминающий по форме не бублик, а сферу. Эта установка называется ST40, в настоящее время проходит исследования. Предполагается, что в ней достижима температура до 15 миллионов градусов Цельсия.

Как следует из вышеизложенного, в первой трети XXI века мы пришли к исследованию всех этих экзотических технологий термоядерного синтеза в основном по трем причинам, осложняющим промышленное использование такой энергии:

  1. Сложность добычи трития.
  2. Сложность стабильного удержания намагниченной плазмы в пределах реактора.
  3. Сложность утилизации радиоактивных отходов – из-за воздействия нейтронов радиоактивным становится сам реактор.

Реголитовая Голконда

И здесь самое время перейти к заключительной части нашего экскурса: обратить внимание на гелий-3, участвующий в четвертой из важнейших термоядерных реакций, упомянутых выше:

Дейтерий + гелий-3 (гелий-4 и протон, 18,2 МэВ)

Выход энергии заметно превышает 17,6 МэВ, вырабатываемые при тритиевой реакции, а вместо нейтрона имеем в качестве побочного продукта протон, что во многом решает проблему радиоактивного загрязнения.

Основная проблема заключается в том, что гелий-3 (ядро которого состоит из двух протонов и одного нейтрона) чрезвычайно редок по сравнению с основным изотопом гелий-4 (два протона и два нейтрона): доля гелия-3 на Земле составляет 0,000137% (1,37 частей на миллион); основным источником этого изотопа на нашей планете является солнечный ветер.

Но еще в 1986 году специалисты из Института технологий термоядерного синтеза при университете Висконсина определили, что в лунном грунте, реголите, может содержаться миллион тонн гелия-3. Добыча гелия-3 на Луне может быть коммерчески выгодным предприятием, так как извлекаемая из него энергия в 250 раз превысит энергию, требуемую на его добычу и доставку на Землю. Лунных запасов гелия-3 может хватить для обеспечения термоядерной энергетики на целые столетия.

Нейтроны, образующиеся при дейтериево-тритиевом синтезе, ускользают из реактора, поскольку не обладают электрическим зарядом и, следовательно, их нельзя удерживать электромагнитным полем. Напротив, протоны – побочный продукт термоядерной реакции с гелием-3 – имеют положительный заряд, и улавливать их не составляет труда. Более того, можно использовать и энергию самих протонов, которая непосредственно пойдет на выработку электричества. В таком случае отпадает необходимость получать водяной пар для вращения турбины – именно по такому принципу вырабатывается энергия на современных атомных электростанциях.

Таким образом, освоение Луны приобретает неиллюзорную практическую ценность. Отработка технологий термоядерного синтеза, возможно, первоначально на основе дейтериево-тритиевого синтеза, могла бы стать этапом на пути к энергетическому самообеспечению лунной реголитодобывающей промышленности, цель которой – обеспечить термоядерным топливом Землю.

Здесь мы настолько углубились в научную фантастику, что в этом посте пора осторожно поставить точку и поблагодарить всех, кто его дочитал и готов обсудить.

Хотя, в качестве эпилога предлагаю взглянуть еще на эту старенькую статью из журнала «Кот Шрёдингера». Мало того, что в ней классные картинки, так еще и переброшен мостик от темы, которую мы рассмотрели здесь, к теме терраформирования. В этой индустрии будущего, по-видимому, без термояда тоже никак не обойтись.

Пока же и ITER, и весь описанный путь далеки от завершения. Но хочется надеяться, что дорогу осилит идущий.

Автор: OlegSivchenko

Источник


* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js