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

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:

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:

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:

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.

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).

   

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.