Ядерный синтез для начинающих

В начале осени минувшего года было сообщено о том, что группе исследователей из консорциума Eurofusion удалось получить 59 мегаджоулей энергии в результате устойчивой реакции продолжительностью пять секунд на объекте «Объединенный европейский токамак» (JET) в Оксфорде, что почти втрое выше предыдущего рекорда 1997 г. Установка JET, созданная в 1978 г. в сотрудничестве между членами ЕС, Швейцарией, Великобританией и Украиной, – крупнейший в мире действующий экспериментальный термоядерный реактор для удержания физической плазмы магнитным полем. Ожидается, что результаты эксперимента на JET лягут в основу будущих достижений коллектива ITER (Международный экспериментальный термоядерный реактор).

А в декабре 2022 г. американские ученые из Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса в Калифорнии объявили о важнейшем успехе на пути к созданию термоядерных электростанций. Они утверждают, что им впервые удалось получить от термоядерного реактора больше – примерно в полтора раза – энергии, чем было потрачено на поддержание его работы. Таким образом, говорят исследователи, они смогли преодолеть важнейшее препятствие в работе над технологией, которая теоретически может дать человечеству почти неиссякаемый источник экологически чистой энергии.

Это только начало длинного пути, и еще неизвестно, приведет ли он к промышленному использованию энергии термоядерного синтеза. Пока что продемонстрирована сама возможность получить положительный выход энергии. Но это еще не есть «прибыльный» термоядерный синтез. Дело в том, что на инициацию реакции было потрачено во много раз больше энергии. Это означает, что в самой реакции нужно получить не в полтора раза больше энергии, чем затрачено на ее инициацию, а в 30–40 раз больше. Только тогда установка станет энергетически и экономически эффективной.

JET и ITER – лишь два из ряда государственных проектов по всему миру. Но и частный сектор активно вкладывается в молодые компании в области термоядерной энергетики. По данным сайта fusionenergybase.com, помимо двух крупных корпораций Lockheed-Martin и General Atomics, над собственными решениями работают 29 стартапов. Восемнадцать из них базируются в США, Великобритания и Канада представлены тремя компаниями, в Германии их две (Marvel Fusion в Мюнхене и Focused Energy в Дармштадте), по одной – в Китае, Франции и Австралии. К концу 2021 г. общий объем частного финансирования перевалил за 3 млрд долл., при этом некоторые предприятия нацелились на поставку коммерческой энергии уже в конце 2030-х.

Ниже – общие сведения о термоядерном синтезе и о тех политических препятствиях, которые грозят в том случае, если удастся преодолеть технические.

 

Примечательно, что управляемый ядерный синтез редко фигурирует в воображаемых сценариях обеспечения энергоснабжения Германии. Возможно, это связано с тем, что в самом дорогом проекте по этой теме под названием ITER сроки постоянно сдвигаются в будущее, а затраты стремительно растут. И, возможно, ITER однажды заставит нас понять, что забытые границы возможного не могут быть преодолены даже c помощью гигантских денег.

Цель Международного термоядерного экспериментального реактора – доказать, что управляемый ядерный синтез может быть использован для выработки электроэнергии.

При ядерном синтезе легкие атомные ядра, такие как ядра атома водорода, сближаются настолько, что притяжение между ними становится способным преодолеть электрическое отталкивание, и ядра сливаются. Чтобы это произошло, ядра должны столкнуться очень сильно, тогда это может сработать.

В каждом газе атомы постоянно сталкиваются друг с другом, и, чем выше температура газа, тем сильнее. Так что давайте нагреем его как можно выше и посмотрим, что произойдет. При температуре около 10 000°C столкновения настолько сильны, что электроны вырываются из атомов – своего рода атомный стриптиз. В результате получается очень горячий «суп» из «голых» атомных ядер и свободных электронов. Этот «суп» называется плазмой. Теперь нам нужно только заставить свободные атомные ядра преодолеть взаимное электрическое отталкивание и слиться. Для этого температура должна быть снова увеличена более чем в 10 тыс. раз, примерно до 150 млн градусов.

 

Гелий, названный в честь бога солнца

Мы облегчаем себе жизнь, работая не с обычным водородом, ядро которого состоит из одного протона (p), а с дейтерием (D) и тритием (T). Они имеют более высокую вероятность слияния, поскольку, в отличие от обычного водорода, дейтерий и тритий имеют в своем ядре еще один или два нейтрона (n) соответственно. Поэтому ядро D имеет размерность 1p1n, а ядро T – 1p2n. Если слияние действительно происходит, то формальная запись этой реакции выглядит так: 1p1n + 1p2n → 2p2n + 1n + Е (энергия).

Продукт синтеза 2p2n – это атомное ядро газообразного гелия, который мы также находим на Солнце, а 1n – это единичный нейтрон, который улетает с убийственной скоростью, унося с собой львиную долю энергии E, высвобождаемой при синтезе. После нескольких промежуточных этапов мы можем использовать эту энергию для выработки электричества. Так что подавайте 150 млн градусов – и поехали!

К сожалению, существует проблема. Мы можем положить кусок металла на стол, налить жидкость в миску и закачать газ в баллон, но мы должны быть осторожны с плазмой, чтобы она не коснулась стенки контейнера, в котором находится. Потому что тогда либо плазма охладится, либо контейнер испарится – в любом случае плазма будет потеряна.

А как это работает на Солнце? Оно ведь почти полностью состоит из плазмы, не так ли? Солнце удерживает плазму своей гигантской гравитацией. А что делать нам на Земле?

Есть хитрость: магнетизм. Атомные ядра и электроны, составляющие плазму, электрически заряжены, и они движутся очень быстро. В магнитных полях электрически заряженные частицы отклоняются от своей траектории, причем под прямым углом к ней и к силовым линиям магнитного поля. Таким образом, они движутся по кругу или по спирали вокруг силовых линий. Поэтому атомы и электроны могут без помех двигаться прямолинейно только параллельно силовым линиям. Следовательно, нужно взять трубку, поместить ее вдоль силовых линий магнитного поля, и тогда дрейф плазмы к стенкам трубки будет затруднен, в то время как в продольном направлении она сможет двигаться свободно. Однако, когда плазма попадает на торцы трубки, волшебство заканчивается.

 

Дорогой «пончик»

Догадливые исследователи из СССР согнули трубку в кольцо и сварили ее открытые концы. Получился своего рода «пончик» с магнитным полем внутри вместо повидла. Они дали конструкции название «Токамак» (от «тороидальная камера с магнитными катушками». – Ред.), где, как утверждают, слог «то» должен напоминать о Torus – латинском слове, обозначающем «пончик».

То есть вы заполняете такой «Токамак» газом, помещаете в магнитное поле, нагреваете все это до 150 млн градусов и ждете ядерного синтеза. (В реальности пеллета (маленькое зернышко) «топлива», содержащая несколько миллиграммов дейтерия и трития, подвергается действию мощного излучения. Температура капсулы с газом достигает 150 млн градусов Цельсия, что жарче, чем в центре Солнца. Внешний пластиковый слой пеллеты взрывается и испаряется, за счет чего на внутренние слои пеллеты, содержащие дейтерий и тритий, оказывается давление, превышающее земное в 100 млрд раз, и они сжимаются. При правильном подборе параметров можно установить такой режим сжатия, когда в пеллете пойдет термоядерная реакция. Именно по такому принципу работает установка в Ливерморе. – Ред.) За последние шесть десятилетий в разных странах были построены десятки таких установок. «И что, – спросите вы, – действительно ли с их помощью происходил ядерный синтез? Удалось?»

В принципе да, но при этом всегда получалось меньше энергии, чем затрачивалось на нагрев плазмы. Это соотношение, так называемый коэффициент Q , всегда было меньше единицы. Тем не менее ученые надежды не теряли. Они знали, что, чем больше пытаешься, тем больше шансов. И поэтому было решено построить ITER – гигант среди «Токамаков». Этот «пончик» диаметром 12  м можно представить себе в виде гигантского рождественского венка с лентой, намотанной вокруг него по спирали (она символизирует магнитные катушки).

 

Чертовски холодно

Однако сделаны они не из красного шифона и не из меди, а из химического соединения металлов ниобия и олова (Nb3Sn). Вы можете справедливо спросить, почему так сложно? В конце концов, медь ведь тоже имеет довольно низкое электрическое сопротивление. Да, это верно, но у Nb3Sn его вообще практически нет. Это сверхпроводник.

Правда, он имеет свою цену. Все сверхпроводящие материалы должны храниться при очень низкой температуре, в данном случае на четыре градуса выше нуля, но нуля абсолютного, то есть при температуре –269°C. Содержание нескольких тонн материала в таком холодном состоянии – сложнейшая задача для инженеров, и это всего лишь один из многих технологических сверхрекордов, которые пришлось реализовать при строительстве ITER.

С точки зрения размеров, веса и сложности, строительство этой установки, вероятно, является одним из самых сложных проектов, к которым когда-либо приступало человечество, а также одним из самых дорогих: данные о стоимости варьируются в разных источниках от 18 до 65 млрд долл. Достигнут ли его создатели своей цели? И если да, то когда?

Работы по строительству начались на юге Франции в 2007 г. Сооружение установки заняло около 10 лет, а первую плазму планировалось сгенерировать в 2020-м. Это должно стать одним из доказательств того, что процессы в ITER действительно протекают так, как рассчитано. Но даже после этого будет еще далеко до первого термоядерного синтеза, при котором температура должна быть в тысячи раз выше.

 

400 секунд

Этот первый термоядерный синтез был первоначально запланирован на 2023 г. Однако, согласно последним планам, первая плазма будет получена в 2025 г., а первый полный термоядерный синтез достигнут в 2035 г. Очевидно, что сроки постоянно сдвигаются в будущее, что неудивительно, учитывая огромную сложность установки. Сюрпризы неизбежны, и обычно они неприятные.

Но если в конце концов в 2035 г. удастся осуществить термоядерный синтез, будет ли у нас тогда установка, которая обеспечит человечество бесконечным количеством «чистой» электроэнергии? И здесь нужно выпустить кота из мешка: ответ – нет.

Заявленная цель ITER – достичь прироста мощности, примерно в 10 раз превышающего используемую тепловую мощность, т. е. мощность термоядерного синтеза около 500 МВт. Для того чтобы ITER считался успешным, это состояние должно оставаться стабильным в течение 400 секунд. Когда это будет достигнуто, ITER выполнит поставленную задачу.

Опыт, полученный на ITER, затем будет использован в установке под названием DEMO, которая должна будет преобразовать термоядерную энергию по меньшей мере в 500 МВт электроэнергии и делать это в течение более чем 400 секунд. Но даже DEMO предназначена только для демонстрации, и ее пока не планируется использовать для регулярной подачи энергии в сеть.

Проложит ли нам ITER – что в переводе с латинского означает «путь» – дорогу к бесперебойному электроснабжению за счет ядерного синтеза? Или ITER – это тупиковый путь? Спросите об этом Нострадамуса. Более 50 лет назад на лекции по физике плазмы я присутствовал при том, как профессор Эвальд Фюнфер, основатель Института им. Макса Планка в Гархинге под Мюнхеном, произнес знаменитые слова: «Это займет еще 30 лет». С тех пор эти слова обычно дополняют: «...и так будет всегда».

 

Ханс ХОФМАН-РАЙНЕКЕ

•

Примем ли мы ядерный синтез?

В последние месяцы исследователи совершили два значительных прорыва на пути к тому, чтобы сделать ядерный синтез технологически и коммерчески жизнеспособным. В Калифорнии ученые из Национального центра воспламенения ударили лазерными лучами по водородной капсуле, создав около десяти квадриллионов ватт энергии, хотя и всего на 100 триллионных долей секунды. А сотрудники Массачусетского технологического института запустили новый сверхпроводящий электромагнит, необходимый для удержания ядерной плазмы для термоядерного синтеза. Если их предыдущий магнит потреблял 200 мВт энергии, то нынешний – всего около 30 Вт. Это меньше, чем потребляет обычный ноутбук.

Но примет ли американская общественность термоядерную энергию, когда та станет жизнеспособной? Общественная антипатия к ядерной энергетике настолько велика, что, когда закрываются устаревшие атомные электростанции, иx не заменяют нa новыe. Четыре года назад Южная Каролина отказалась от давних планов по строительству АЭС им. В. К. Самнера. Два энергоблока, которые вскоре должны начать работу на электростанции Vogtle в Джорджии, станут первыми новыми ядерными энергоблоками, построенными за последние 30 лет.

Ежегодно в США производится около 4 трлн кВт-ч электроэнергии, и спрос на нее продолжает расти. Почти 800 млрд кВт-ч, 19% общего объема, приходится на атомную энергию. По мере закрытия существующих станций нам необходимо восполнить производство этой энергии. Ядерная энергия – лучшая альтернатива для удовлетворения наших долгосрочных энергетических потребностей. Она надежна, контролируема и не производит CO2.

Ядерные станции поколения IV также обещают быть, как говорят американцы, «walk away safe», то есть выключаться, а не выходить из-под контроля, если их оставить без присмотра. Спроектированные как небольшие модульные реакторы, они могут быть помещены в подземные защитные блоки, что еще больше повышает их безопасность и снижает стоимость. Дополнительным преимуществом является то, что они не будут производить плутоний в качестве побочного продукта, поэтому не смогут производить материалы для ядерного оружия, как это делают многие существующие станции. Однако общественная оппозиция ядерной энергетике настолько сильна, что мало кто понимает эти преимущества, и ни одна американская компания не готова взять на себя политический риск экспериментов с этими новыми моделями.

Энергия термоядерного синтеза, получаемая путем слияния легких атомов водорода вместо расщепления тяжелых элементов, сделает устаревшей даже технологию поколения IV. Это Cвятой Грааль безопасного, экологически чистого, надежного и практически безграничного источника энергии. Реакторы термоядерного синтеза требуют постоянного добавления топлива для поддержания реакции, поэтому неуправляемая реакция невозможна. Кроме того, отходы не являются высокорадиоактивными, это просто гелий. A потому, как и реакторы поколения IV, они не могут быть использованы для производства материалов для ядерного оружия.

Но только 29% американцев положительно относятся к ядерной энергии, а почти половина – отрицательно. И только 16% считают, что мы должны продолжать строить новые ядерные реакторы. И несмотря на то, что ядерная энергия не имеет углеродного следа, прогрессисты не включили ее в свой «„Зеленый“ новый курс».

Ядерная энергетика оказалась более экологичной, чем многие думают. Большая часть ядерного загрязнения окружающей среды в США произошла в результате производства оружия. По сравнению с экологическим ущербом от добычи угля и отходов угольной золы, производство ядерной энергии практически девственно чисто. Термоядерная энергия будет еще более чистой.

Противодействие ядерной энергетике было основным элементом экологического движения на протяжении десятилетий, а акции Not In My Backyard («не на моем заднем дворе» – сопротивление местных жителей строительству или иным изменениям инфраструктуры на территориях, прилегающих к их домам. – Ред.) создавали постоянные проблемы с размещением АЭС. Значительная часть огромной стоимости атомных электростанций приходится на судебные тяжбы, связанные с их размещением. Поэтому защитники окружающей среды обманывают вас, когда ссылаются на дороговизну атомной энергетики как на причину для противодействия ей.

Oднако это правда, что ядерная энергия в настоящее время не является одним из самых дешевых источников энергии. Даже технологии поколения IV, хотя и более эффективные экономически, не сделают ее самой дешевой. В настоящее время рынок отдает предпочтение природному газу как лучшему сочетанию стоимости и надежности. Некоторые возобновляемые источники энергии менее затратны, но их потенциал и надежность ограничены, если мы не добавим мощности по хранению энергии на время их отсутствия. Сторонники возобновляемой энергетики редко учитывают эту стоимость, что необходимо делать, если мы хотим понять, сколько на самом деле стоит такая энергия.

Потенциальная стоимость энергии, которую можно будет получать за счет термоядерного синтеза, составляет лишь четверть нынешней цены ядерной энергии, половину стоимости природного газа и ниже, чем стоимость ветровой энергии. Все это в дополнение к безопасности, надежности и отсутствию загрязнения окружающей среды. А благодаря использованию одного из самых распространенных на Земле элементов – водорода – она обеспечивает безграничное будущее. Вопрос лишь в том, позволит ли нам наша политика принять эту удачу.

 

Джеймс ХЭНЛИ

Перевод с англ. Н. Афончиной (mises.ua.org)

•

Почему «зеленые» против ядерного синтеза

Американские исследователи утверждают, что им удалось осуществить ядерный синтез. Эксперты полагают, что пройдет еще 20–30 лет, прежде чем его можно будет использовать в коммерческих целях, но, по крайней мере, прорыв, похоже, уже произошел. А те, кто знаком с капитализмом, знают, что переход к практическому использованию может оказаться гораздо более быстрым, потому что теперь есть веская причина вливать огромные деньги в новую технологию.

И вот тут-то и начинаются проблемы: финансирование, в отличие, например, от солнечного света, не падает с неба. Если деньги выделяются на один проект, их не хватает на другие. Например, в области исследований и расширения так называемых «возобновляемых источников энергии» – любимого представления «зеленых» о будущем. Поэтому неудивительно, что «зеленые» уже подняли против новой технологии бурю, которая может привести в движение ветровую турбину.

Реакция в Twitter Дитера Янечека, экономического эксперта и главы экономического консультативного совета парламентской фракции Партии «зеленых», еще сдержанная: «Прогресс в #nuclearfusion завораживает. Всем участникам процесса ясно, что для того, чтобы сделать технологию пригодной для использования, могут потребоваться десятилетия. Во время моего визита в Институт физики плазмы им. Макса Планка в этом году я смог увезти много интересных впечатлений». И, возможно, несколько шариковых ручек, но в принципе он не против.

В отличие, например, от Ёздена Терли, который сообщает о себе: «Diplom-Meteorologe. Weather & Climate Presenter. Journalist. Moderator. Autor. CO₂ 326 ppm. Fernmeldeanlagen-Elektroniker». В Twitter он возмутился: «#nuclearfusion ежедневно происходит на Солнце. Но просто массово использовать фотоэлектричество было бы слишком просто. Вместо этого – блаженные мечты о чем-то, что еще очень долго не будет иметь реального применения. Время уходит, оправданий для бездействия становится все больше. #Klimakrise».

Да, это было бы неприятно, если бы вдруг стало возможным решение «климатического кризиса», которое не ограничивалось бы приклеиванием себя к автострадам и большими площадями, покрытыми солнечными батареями. Ни за что!

Именно так воспринимает это Саша Мюллер-Крэннер, «босс» скандально известной организации Deutsche Umwelthilfe. Он смело заявляет в Twitter: «#Kernfusion – это дорогая мечта далекого будущего. Солнечная энергия дешева и работает. Есть вопросы?» Много. Например, почему столь подлая организация имеет статус общественно-полезной и чего так чертовски боится Саша Мюллер-Крэннер. Того, что это угрожает его бизнес-модели, основанной на алармизме?

Еще более кратко выразились глава парламентской фракции «зеленых» Антон Хофрайтер и его начальник Анналена Бэрбок, отвечая на запросы 18 августа и 22 сентября 2021 г: «Мы, „зеленые“, отвергаем ядерный синтез как будущий источник энергии». Баста! Бэрбок, по крайней мере, оправдывает это, говоря, что «технология в любом случае появится слишком поздно и, более того, к тому времени она уже не будет нужна, поскольку будет достаточно возобновляемой энергии» – если просто позволить «зеленым» делать то, что они считают правильным.

Уже появились первые страхи. Заголовок на интернет-сайте телеканала n-tv гласит: «Лазерный синтез? Как подрыв крошечных атомных бомб». О боже! Тот, кто использует подобные заголовки, способен описать сгорание топлива в бензиновом двигателе как «серию взрывов крошечных цепочек мин». Так можно делать, но это глупо. Проблема здесь не только в n-tv, но и в людях, которые считают n-tv серьезным источником новостей. «Ядерные бомбы» – кто хочет решать энергетическую проблему с их помощью? Хотя... Там, где больше нет людей, энергия никому не нужна...

Если же рассматривать наших убежденных «спасителей климата» в целом, то можно увидеть их ярую враждебность к технологиям, замаскированную под «слишком дорого, слишком поздно, слишком опасно». Здесь консерваторы, либералы и так называемые «прогрессисты» неожиданно поменялись ролями. Это неудивительно, потому что если ядерный синтез окажется успешным – а это вполне возможно, – то синекуры «зеленых» и их лоббистов сильно пострадают.

У меня такое чувство, будто двигатель внутреннего сгорания только что изобрели, а владельцы конных заводов, кузниц и производители карет подняли бурю против «новой дьявольской технологии». На материальном уровне мне по-человечески это понятно. На идеологическом уровне, когда некоторые сумасшедшие ради защиты климата настолько крепко приклеивают себя к асфальту, что после акции уносят его куски на своих руках в качестве сувенира, мне непонятно, что такая передовая технология, которая могла бы решить наши проблемы, рассматривается как угроза. Но, может быть, дело вовсе не в «спасении планеты» и «спасении климата»? Может быть, это просто удобные вывески для социалистического переустройства общества? Однако даже социалистам понадобится энергия, если они не хотят быть сметенными.

 

Тило ШНАЙДЕР