Има ли бъдеще термоядрената енергия?

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-16 15:58

Повече от половин век учените се опитват да построят на Земята машина, в която, като в недрата на звездите, протича термоядрена реакция. Технологията на контролиран термоядрен синтез обещава на човечеството почти неизчерпаем източник на чиста енергия. Съветските учени бяха в основата на тази технология - а сега Русия помага за изграждането на най-големия термоядрен реактор в света.

Частите от ядрото на атома се държат заедно от колосална сила. Има два начина да го освободите. Първият метод е да се използва енергията на делене на големи тежки ядра от най-отдалечения край на периодичната таблица: уран, плутоний. Във всички атомни електроцентрали на Земята източникът на енергия е именно разпадането на тежките ядра.

Но има и втори начин за освобождаване на енергията на атома: не за разделяне, а напротив, за комбиниране на ядрата. При сливане някои от тях отделят дори повече енергия от делящите се ядра на уран. Колкото по-леко е ядрото, толкова повече енергия ще се освободи по време на синтез (както се казва, синтез), така че най-ефективният начин да получите енергията на ядрения синтез е да принудите ядрата на най-лекия елемент - водорода - и неговите изотопи да се слеят.

Ръчна звезда: солидни плюсове

Ядреният синтез е открит през 30-те години на миналия век чрез изследване на процесите, протичащи във вътрешността на звездите. Оказа се, че вътре във всяко слънце протичат реакции на ядрен синтез, а светлината и топлината са негови продукти. Веднага след като това стана ясно, учените помислиха как да повторят случващото се в недрата на Слънцето на Земята. В сравнение с всички известни енергийни източници, "ръцето слънце" има редица безспорни предимства.

Първо, обикновеният водород служи като негово гориво, чиито запаси на Земята ще издържат много хиляди години. Дори като се вземе предвид фактът, че реакцията не изисква най-често срещания изотоп, деутерий, чаша вода е достатъчна, за да снабди малък град с електричество за една седмица. Второ, за разлика от изгарянето на въглеводороди, реакцията на ядрен синтез не произвежда токсични продукти - само неутралния газ хелий.

Плюсове на термоядрената енергия

Почти неограничени доставки на гориво. В термоядрен реактор водородните изотопи - деутерий и тритий - работят като гориво; можете също да използвате изотоп хелий-3. В морската вода има много деутерий - той може да бъде получен чрез конвенционална електролиза, а запасите му в Световния океан ще стигнат за около 300 милиона години при сегашното търсене на енергия на човечеството.

В природата има много по-малко тритий, той се произвежда изкуствено в ядрени реактори - но е необходимо много малко за термоядрена реакция. На Земята почти няма хелий-3, но в лунната почва има много. Ако някой ден имаме термоядрена енергия, вероятно ще бъде възможно да летим до Луната за гориво за нея.

Без експлозии. Отнема много енергия за създаване и поддържане на термоядрена реакция. Веднага след като енергийното захранване спре, реакцията спира и плазмата, нагрята до стотици милиони градуси, престава да съществува. Следователно термоядрен реактор е по-труден за включване, отколкото за изключване.

Ниска радиоактивност. Термоядрена реакция произвежда поток от неутрони, които се излъчват от магнитния капан и се отлагат по стените на вакуумната камера, което я прави радиоактивна. Чрез създаване на специално „одеяло” (покривало) около периметъра на плазмата, забавящо неутроните, е възможно напълно да се защити пространството около реактора. Самото одеяло неизбежно става радиоактивно с времето, но не за дълго. Оставяйки го да почива в продължение на 20-30 години, отново можете да получите материал с естествено фоново излъчване.

Няма течове на гориво. Винаги съществува риск от изтичане на гориво, но термоядрен реактор изисква толкова малко гориво, че дори пълен теч не застрашава околната среда. Стартирането на ITER, например, ще изисква само около 3 кг тритий и малко повече деутерий. Дори и в най-лошия сценарий, това количество радиоактивни изотопи бързо ще се разсее във вода и въздух и няма да причини вреда на никого.

Без оръжия. Термоядрен реактор не произвежда вещества, които могат да се използват за направата на атомни оръжия. Следователно няма опасност разпространението на термоядрена енергия да доведе до ядрена надпревара.

Как да запалим "изкуственото слънце", като цяло, стана ясно още през петдесетте години на миналия век. От двете страни на океана са извършени изчисления, които задават основните параметри на контролирана реакция на ядрен синтез. Това трябва да се случи при огромна температура от стотици милиони градуси: при такива условия електроните се откъсват от ядрата им. Следователно тази реакция се нарича още термоядрен синтез. Голите ядра, сблъскващи се едно с друго с главоломна скорост, преодоляват кулоновото отблъскване и се сливат.

Проблеми и решения

Ентусиазмът от първите десетилетия се разби в невероятната сложност на задачата. Стартирането на термоядрен синтез се оказа сравнително лесно - ако се извърши под формата на експлозия. Тихоокеанските атоли и съветските полигони в Семипалатинск и Нова Земля изпитаха пълната сила на термоядрена реакция още през първото следвоенно десетилетие.

Но използването на тази сила, освен за унищожаване, е много по-трудно от детонирането на термоядрен заряд. За да се използва термоядрена енергия за генериране на електричество, реакцията трябва да се проведе по контролиран начин, така че енергията да се освобождава на малки порции.

Как да го направя? Средата, в която протича термоядрена реакция, се нарича плазма. Той е подобен на газа, само че за разлика от нормалния газ се състои от заредени частици. А поведението на заредените частици може да се контролира с помощта на електрически и магнитни полета.

Следователно, в най-общата си форма, термоядрен реактор е плазмен съсирек, уловен в проводници и магнити. Те не позволяват на плазмата да избяга и докато правят това, атомните ядра се сливат вътре в плазмата, в резултат на което се освобождава енергия. Тази енергия трябва да бъде отстранена от реактора, използвана за загряване на охлаждащата течност - и трябва да се получи електричество.

Капани и течове

Плазмата се оказа най-капризното вещество, с което хората на Земята трябваше да се сблъскат. Всеки път, когато учените намериха начин да блокират един вид изтичане на плазма, беше открит нов. Цялата втора половина на 20-ти век беше прекарана в обучението да се задържи плазмата в реактора за всяко значително време. Този проблем започна да отстъпва едва в наши дни, когато се появиха мощни компютри, които направиха възможно създаването на математически модели на поведението на плазмата.

Все още няма консенсус кой метод е най-добрият за плазмено ограничаване. Най-известният модел, токамакът, е вакуумна камера с форма на поничка (както казват математиците, тор) с плазмени уловители отвътре и отвън. Тази конфигурация ще има най-голямата и най-скъпата термоядрена инсталация в света - реакторът ITER, който в момента се строи в Южна Франция.

В допълнение към токамака има много възможни конфигурации на термоядрени реактори: сферични, както в Санкт Петербург Глобус-М, странно извити стеларатори (като Wendelstein 7-X в Института по ядрена физика Макс Планк в Германия), лазерни инерционни капани, като американския NIF. Те получават много по-малко медийно внимание от ITER, но имат и големи очаквания.

Има учени, които смятат, че дизайнът на стеларатора е фундаментално по-успешен от токамака: той е по-евтин за изграждане, а времето за задържане на плазмата обещава да даде много повече. Печалбата на енергията се осигурява от геометрията на самия плазмен капан, което позволява да се отървете от паразитните ефекти и течове, присъщи на "поничката". Версията с лазерно изпомпване също има своите предимства.

Водородното гориво в тях се нагрява до необходимата температура чрез лазерни импулси и реакцията на синтез започва почти мигновено. Плазмата в такива инсталации се държи по инерция и няма време да се разпръсне - всичко се случва толкова бързо.

Целият свят

Всички термоядрени реактори, съществуващи днес в света, са експериментални машини. Нито един от тях не се използва за производство на електроенергия. Все още никой не е успял да изпълни основния критерий за термоядрена реакция (критерия на Лоусън): да получи повече енергия, отколкото е изразходвано за създаване на реакцията. Затова световната общност се фокусира върху гигантския проект ITER. Ако критерият на Lawson бъде изпълнен в ITER, ще бъде възможно да се усъвършенства технологията и да се опита да я прехвърли в търговските релси.

Никоя страна в света не би могла да построи ITER сама. Необходими са му само 100 хиляди км свръхпроводящи проводници, а също и десетки свръхпроводящи магнити и гигантски централен соленоид за задържане на плазма, система за създаване на висок вакуум в пръстена, хелиеви охладители за магнити, контролери, електроника… проект изгражда 35 държави и повече наведнъж хиляди научни институти и фабрики.

Русия е една от основните страни, участващи в проекта; в Русия се проектират и изграждат 25 технологични системи на бъдещия реактор. Това са свръхпроводници, системи за измерване на плазмени параметри, автоматични контролери и компоненти на дивертора, най-горещата част от вътрешната стена на токамака.

След стартирането на ITER руските учени ще имат достъп до всичките му експериментални данни. Ехото на ITER обаче ще се усети не само в науката: сега в някои региони се появиха производствени мощности, които в Русия не съществуваха преди. Например, преди началото на проекта у нас нямаше промишлено производство на свръхпроводящи материали, а в целия свят се произвеждаха само 15 тона годишно. Сега само в Чепецкия механичен завод на държавната корпорация "Росатом" е възможно да се произвеждат 60 тона годишно.

Бъдещето на енергетиката и не само

Първата плазма в ITER се планира да бъде получена през 2025 г. Целият свят чака това събитие. Но една, дори и най-мощната, машина не е всичко. По целия свят и в Русия те продължават да строят нови термоядрени реактори, които ще помогнат най-накрая да разберем поведението на плазмата и да намерим най-добрия начин за използването й.

Още в края на 2020 г. Институтът Курчатов ще пусне в експлоатация нов токамак Т-15МД, който ще стане част от хибридна инсталация с ядрени и термоядрени елементи. Неутроните, които се образуват в зоната на термоядрена реакция, в хибридната инсталация ще се използват за иницииране на деленето на тежки ядра - уран и торий. В бъдеще подобни хибридни машини могат да се използват за производство на гориво за конвенционалните ядрени реактори – както термични, така и бързи неутрони.

Торий спасение

Особено примамлива е перспективата за използване на термоядрено "ядро" като източник на неутрони за иницииране на разпад в ториевите ядра. На планетата има повече торий от уран и използването му като ядрено гориво решава едновременно няколко проблема на съвременната ядрена енергетика.

По този начин продуктите от разпада на тория не могат да се използват за производство на военни радиоактивни материали. Възможността за такова използване служи като политически фактор, който пречи на малките страни да развиват собствена ядрена енергия. Ториевото гориво решава този проблем веднъж завинаги.

Плазмените капани могат да бъдат полезни не само в енергетиката, но и в други мирни индустрии - дори в космоса. Сега Росатом и Курчатовският институт работят върху компоненти за безелектроден плазмен ракетен двигател за космически кораби и системи за плазмена модификация на материали. Участието на Русия в проекта ITER стимулира индустрията, което води до създаването на нови индустрии, които вече формират основата за нови руски разработки.