Почему мы до сих пор не смогли построить термоядерный реактор? И сможем ли это сделать вообще?

Энергетический, термоядерный эквивалент 1 литра воды

То, что это безграничный и мощный источник энергии, сейчас мало коло волнует. Что в полулитровой бутылке с водой содержится столько же потенциальной энергии синтеза, сколько в бочке нефти, — это тоже сегодня никому не интересно. В наших попытках обуздать термоядерный синтез мы усложнили технологию, решили много проблем, о которых вообще вначале даже не задумывались… Но всё оказалось тщетно…

Да, мы получаем термоядерную реакцию, можем удерживать и нагревать плазму до 100 миллионов градусов по шкале Цельсия. Но этого оказалось мало…

И те элегантные технические решения в середине 20 века, которые сулили нам термоядерную энергетику к началу 2000-х годов (по самым пессимистическим прогнозам), оказались сильным заблуждением.

Да что там говорить! Открыть бозон Хиггса оказалось в разы проще, чем получить самоподдерживающуюся термоядерную реакцию. Такого фиаско от термоядерной энергетики никто не ожидал.

В традиционной атомной энергетике для получения энергии используется реакция деления ядра. В основном, это деление тяжёлого ядра изотопа урана-235, при котором высвобождается около 200 МэВ энергии.

В отличие от тяжёлых ядер, деление лёгких атомных ядер в основном сопровождается поглощением энергии. Тут прослеживается чёткая взаимосвязь. Синтез элементов легче железа в звёздах идёт с выделением энергии, а синтез элементов тяжелее железа идёт с поглощением энергии.

Сама возможность того, что энергию можно получать из самого распространённого вещества во Вселенной, сулит нам решение энергетического вопроса раз и навсегда.

Некоторые изотопы химических элементов очень хорошо захватывают нейтроны и могут быть полезны в термоядерном топливном цикле. Например, изотоп Литий 6 может производить топливо для реактора ,путем деления на тритий и гелий.

Самыми основными и знаковыми вехами развития термоядерной энергетики считаются:

1. 1946 год. Патент Дж.П.Томсона и М.Блэкмана на тороидальный термоядерный реактор с дейтерием. Основная идея была в удержании плазмы слабым магнитном полем, которого, как тогда считалось, будет вполне достаточно для термоядерного синтеза. На основе этой идеи были созданы две установки: «ZETA» — в Англии и «АЛЬФА» — в СССР;

2. 1950 год. И.Е.Тамм и А.Д.Сахаров разработали схему тороидальной камеры на основе расчётов О.А.Лаврентьева. В камере предлагалось удерживать плазму в сильном магнитном поле, пропуская вдоль оси установки электрический ток. На основе этой идеи будет построена «ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками» именуемая сокращённо ТОКАМАК;

3. 1951 год. В США стартует проект «Шервуд», ознаменовавший собой начало термоядерных исследований в стране. В этом же году Л.Спитцер предложил идею замкнутой магнитной ловушки для удержания плазмы – Стелларатора (от английского “stella” — звезда).

4. 1952 год. Первые серьёзные сдвиги в исследовании УТС. Была создана установка “БИГ-1”. На ней осуществили прямые заряды в фарфоровой цилиндрической камере, запитываемой конденсаторной батареей. В этом же году проводятся первые опыты по управлению плазменными образованиями;

5. 1955 год. Запуск тороидальной установки «ТМП» с магнитным полем, которая показала состоятельность идеи ТОКАМАКа;

6. 1956 год. В СССР построена первая в стране ловушка с магнитными пробками (зеркалами) – «ПР-1» (Пробкотрон – 1). Это позволило начать полноценные эксперименты с высокотемпературной плазмой;

7. 1958 год. Постройка первого полноценного ТОКАМАКа.

8. 1961 год. Впервые стабилизировано неустойчивое плазменное состояние (палка Иоффе); проведены эксперименты группы М.С.Иоффе;

9. 1969 год. Впервые достигнуты устойчивые показатели плазмы с температурой более 10 миллионов градусов Цельсия (ТОКАМАК Т-3). Начато строительство ТОКАМАКов по всему миру;

10. 1978 год. Начаты работы над международным проектом «ИНТОР». Это первый серьёзный международной проект, объединявший опыт в создании ТОКАМАКов СССР, США, ЯПОНИИ, ГЕРМАНИИ.

11. 1992 год. Старт международного проекта Экспериментального Термоядерного Реактора («International Thermonuclear Experimental Reactor») — «ИТЭР».

Как видно, дело закончилось международным сотрудничеством в области УТС. Всё потому, что параметры, закладываемые в новенькие реакторы, всегда сильно отставали от реальных результатов. С каждой новой установкой образующаяся плазма выдавала новые препятствия. Ни одна из строящихся тогда установок нового поколения: JET (Европейский союз), JT-60 (Япония), Т-15 (СССР) и TFTR (США) — не оправдали возложенные на них надежды. И это притом, что эти ТОКАМАКи обогнали все остальные термоядерные установки в достижении УТС в десятки тысяч раз.

СССР инициировал проект «ИНТОР», конечной целью которого являлась постройка термоядерного реактора с параметрами плазмы, необходимыми для полноценной работы в демонстрационном режиме. На протяжении 2,5 лет инженеры и учёные всего мира сотрудничали в рамках этого проекта. Проект многократно превысил по уровню проработки любой имеющийся на то время термоядерный реактор. Несмотря на впечатляющие достижения в рамках проекта «ИНТОР», учёные пришли к неутешительным выводам.

Первый вывод был касательно концепции классических ТОКАМАКов, в которых впервые усомнились. Так, при проектировании ТОКАМАКа проекта «ИНТОР» закладывали теоретическое значение загрязнения плазмы на уровне 3%, которое было реально достигнуто в новых сферических ТОКАМАКах.

Второй аспект касался размеров и сложности установки для создания демонстрационного реактора, сравнимого по мощности с одним блоком АЭС. Последние исследования плазмы говорили о том, что реактор типа ТОКАМАК построить в рамках одной страны практически невозможно.

Вывод номер три — нужно искать другие подходы в реализации УТС.

С тех пор оптимизм учёных поутих. Вместе с ТОКАМАКами строились и проектировались новые открытые ловушки, эксперименты с которыми тоже не дали ожидаемых результатов; сферические токамаки, которые сулили переворот в удержании плазмы, но уперлись в тупик и не прогрессируют. Усовершенствованные “Фузоры”, десятилетиями финансируемые ВМФ США, показали вообще нулевой результат.

Лазерные комплексы для достижения УТС также не дали нужного эффекта. В начале 1990-х наибольший прогресс оставался за ТОКАМАКами, которые также упёрлись в свой потолок. И дальнейшее развитие УТС требовало кардинальных мер, а именно — строительства реакторов больших размеров.

Мир попросту устал от постоянных провалов в УТС (Управляемый Термоядерный Синтез) и желал получить его, несмотря ни на что. Проект «ИТЭР» стал ответом на этот вызов.

Самое сложное инженерное сооружение человечества, с самыми передовыми технологиями, с самым тесным научным сотрудничеством между странами – вот что такое проект «ИТЭР».

Все понимают, что подобное достижение цели в УТС не имеет никакой экономической перспективы. Это слишком дорого и сложно. Поэтому каждая из 35 стран участников проекта «ИТЭР» получает равный доступ ко всем исследованиям и технологиям строительства реактора. И поэтому термоядерный реактор строится именно для исследований и отработки параметров и алгоритмов в УТС. Реактор проектируется таким образом, чтобы гарантировать на 100% получение термоядерной реакции с энергетическим выходом в разы большим, чем затрачивается на поддержание термоядерных реакций.

В 2007 году такого параметра «Q» смогли добиться на модернизированном ТОКАМАКе в Китае, где количество полученной энергии превысил количество затраченной на 25% (параметр Q=1,25). Однако этот результат не был подтверждён международной группой учёных, поэтому о нём можно судить только по словам учёных Китая. В «ИТЭР» закладывается коэффициент Q=10.

На «ИТЭР» будут изучать то, что ранее было нам недоступно. Эти знания и определят дальнейшую перспективность освоения термоядерного синтеза. Вполне может получиться так, что для экономически выгодной термоядерной энергетики нужен будет реактор с активной зоной размером с квадратный километр, и можно будет забыть о компактных термоядерных электростанциях размерами с обычный блок АЭС. Изучение плазмы на «ИТЭР» даст полное представление об оптимальной схеме реактора, которая может вообще отличаться от всех ранее известных.

Поэтому проект «ИТЭР» — это экономически бессмысленная затея, так же как и адронный коллайдер. Никакой бесплатной энергии он нам не даст. «ИТЭР» нужно рассматривать как лабораторию, так как никаких серьёзных подтвержденных прорывов в УТС с 1985 года у нас нет. Именно поэтому и строится «ИТЭР», который даст человечеству понимание того, как дальше развивать управляемый термоядерный синтез.

А до тех пор, пока мы не получили результаты по УТС в рамках проекта «ИТЭР», строить термоядерные реакторы всё равно, что играть в лотерею и надеяться, что вот-вот сорвёшь «Джекпот».

Однако это не останавливает энтузиастов, и в мире независимо реализуются около 20 стартапов, разрабатывающих термоядерные установки.

Автор: Кочетов Алексей  (мнение редакции может не совпадать с мнением автора)

Также читайте Часть 1. Рождение термоядерной энергетики

Использованные источники:

На пути к энергетике будущего (учебное пособие), МИФИ, 2017

Атомная энергия, том 54, вып. 2, 1983 год

Термоядерные реакции (Большая советская энциклопедия)

Международный экспериментальный термоядерный реактор (ITER)