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…

Высокотемпературная плазма в активной зоне реактора

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.

Деление ядра атома урана-235

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.

Общий вид реактора «ИНТОР»

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.

Поперечное сечение реактора «ИНТОР»

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.

По планам, «ИТЭР» будет построен в 2025 году.

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)


Больше на Granite of science

Подпишитесь, чтобы получать последние записи по электронной почте.

Добавить комментарий

Мысль на тему “Почему мы до сих пор не смогли построить термоядерный реактор? И сможем ли это сделать вообще?”

Больше на Granite of science

Оформите подписку, чтобы продолжить чтение и получить доступ к полному архиву.

Читать дальше