Зачем нужен термоядерный синтез

Как укротить термоядерный синтез и зачем он нам нужен?

Мы уже писали о неожиданных и примечательных идеях и разработках в области получения энергии от ядерного распада. А также о том, что приходится делать, когда с ядерными реакторами что-то идёт не так. Свобода, как известно, лучше несвободы, а синтез — лучше распада. Именно так подумали учёные ещё сто лет назад, когда сделали первые шаги по укрощению термоядерного синтеза. В этой статье мы кратко расскажем, что такое термоядерный синтез, на каком этапе находятся научные разработки и когда стоит ждать внедрения нового способа добычи энергии. В конце концов, именно за этим он и нужен человечеству.

Staring at the Sun: история открытия термоядерного синтеза

С развитием науки человечество начало задаваться вопросом о том, как работает Солнце, почему не гаснет и продолжает выделять тепло и свет. Ещё в двадцатых годах прошлого века — почти сто лет назад — британский учёный Артур Стэнли Эддингтон выступал с идеями протон-протонного цикла, то есть совокупности термоядерных реакций, в ходе которых водород в звёздах превращается в гелий. И сопутствует этой реакции выделение колоссальных объёмов энергии, что легко можно ощутить, просто выйдя на улицу в солнечный день.

Чуть позже, уже в тридцатые годы, учёные из Кембриджского университета под руководством австралийца Марка Олифанта в результате ряда экспериментов обнаружили нуклоны (общее название составляющих атомное ядро протонов и нейтронов) гелия-3 и трития, принимающие участие в этих реакциях, а их немецкий коллега, Ханс Бете, получил Нобелевскую премию по физике за вклад в теорию ядерных реакций и, особенно, за открытия, касающиеся источников энергии звёзд. Уже в 1946 году сэр Джордж Паджет Томсон и Моисей Блэкман описали и запатентовали идею Z-pinch, то есть системы удержания плазмы при помощи магнитного поля или «магнитной ловушки», которая легла в основу дальнейших экспериментов по созданию первых устройств управляемого термоядерного синтеза.

Лабораторная магнитная ловушка, фото: Sandpiper / Wikimedia Commons

Бесконечная мощь: преимущества, недостатки и препятствия для реализации

От истории перейдём к общей теории. Управляемый термоядерный синтез — это процесс получения более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью (в теории) использования выделяемой энергии для добычи электричества. По своей сути он противоположен реакции распада, которая применяется в традиционной ядерной энергетике. В основном для проведения реакции термоядерного синтеза используются дейтерий и тритий (так называемая реакция D-T), хотя также возможны варианты с дейтерием и гелием-3, между ядрами дейтерия (D-D) и другими сочетаниями изотопов.

Сами по себе атомные ядра взаимодействуют не особо охотно из-за «кулоновского барьера», то есть силы электростатического отталкивания между ними. Чтобы преодолеть её и начать реакцию в земных условиях, вещество необходимо нагреть до достаточно высокой температуры, причём речь в данном случае идёт о сотнях миллионов градусов. Именно от этого процесса термоядерный синтез и получил своё название. Сочетание дейтерия и трития в данном случае требует «минимальной» температуры для начала реакции (тех самых 100 млн градусов), поэтому в экспериментальных установках оно используется чаще всего.

Реакция термоядерного синтеза D-T. Источник: Toshiba Energy Systems &Solutions Corporation

Также в ходе реакции появляется большое количество нейтронов, но об их значении поговорим чуть ниже, а сперва постараемся пояснить, почему коммерческое применение этого процесса вообще будоражит умы человечества последние 70 лет. Итак, преимущества управляемого термоядерного синтеза:

1. Сравнительная доступность изотопов для реакции. Дейтерий достаточно легко можно получить из морской воды, запасов которой на Земле более чем достаточно. Тритий в природе не встречается, так как имеет период полураспада всего в 12,3 года, но его получают из лития-6 и тяжёлой воды ядерных реакторов, от использования которых мы в ближайшие годы отказаться не готовы.
2. Колоссальная энергоэффективность реакции — при сжигании, например, 1 грамма угля выделяется 34 тысячи джоулей энергии, а газа или нефти — 44 тысячи. Слияние атомов дейтерия и трития даёт 17,6 МэВ (мегаэлектронвольт), то есть около 170 млрд джоулей тепла в пересчёте на 1 грамм массы вещества.
3. Электростанции на базе управляемой термоядерной реакции из-за особенностей конструкции не должны способствовать увеличению «парникового» эффекта, то есть производить парниковые газы, угарный газ и пылевые облака — выгодное отличие от, например, ТЭС.
4. Так же выгодно эти электростанции должны отличаться от АЭС, так как термоядерный реактор намного безопаснее. Реакция синтеза требует огромных затрат энергии и в земных условиях не может бесконечно длиться без подпитки извне. Это значит, что даже в случае аварии и повреждения оболочки мы не столкнёмся с расплавлением, радиоактивным заражением всего и вся на многие километры вокруг, а также с цепной реакцией или взрывом.

Токамак JET, фото: EFDA JET / Wikimedia Commons

Но почему же тогда сам принцип управляемого термоядерного синтеза, разработанный в середине прошлого века, до сих пор не реализован на практике либо реализован только в качестве экспериментальных установок, которые так и не начали производить электроэнергию? Давайте рассмотрим недостатки и ограничения этого процесса.

Сперва вернёмся к нашим нейтронам. В процессе реакции с применением D-T образуется нейтронный поток, который бомбардирует стенки защитной оболочки реактора. В результате мы имеем дело с так называемой «наведённой» радиацией, которая сильно усложняет обслуживание оборудования и, вполне возможно, приведёт к необходимости его периодической замены, так как со временем от бомбардировки нейтронами материалы становятся не только радиоактивными, но и хрупкими. Для решения этой проблемы предлагается использовать малочувствительные к радиации материалы, которые прослужат дольше, но их применение увеличит и без того колоссальные расходы на постройку электростанций термоядерного синтеза. Также рассматривается применение других действующих веществ, чтобы получить «безнейтронные» реакции, но о требованиях к плотности и температуре реакции для них мы уже говорили выше.

Ещё при текущем уровне развития технологий учёные и инженеры не могут добиться того, чтобы расход энергии на нагрев и доведение вещества в реакторе до состояния плазмы, а затем на поддержание его в этом состоянии, несмотря на постоянную потерю тепла (а также на охлаждение системы, работу электромагнитов и других подсистем), упал ниже, чем количество выделяемой в ходе реакции энергии. Например, британский токамак JET достиг соотношения между поступающей и отдаваемой энергией всего в 67%, то есть 0,67 Q. Q — показатель, который выражает отношение количеств затраченной и полученной в такой системе энергии, и для того, чтобы реакция термоядерного синтеза считалась самоподдерживающейся, он должен быть равен хотя бы 5, а для выработки полезных мощностей — намного выше. На сегодняшний день реакторов с таким значением в мире не существует.

Финальным вопросом, конечно, является окупаемость и стоимость. Чтобы добиться точной имитации реакций внутри Солнца, недостаточно просто взять тритий и дейтерий и поднести к ним условную спичку. Реактор термоядерного синтеза — это невероятно сложная, громоздкая и дорогая конструкция, в которой нашлось место массивной системе охлаждения, огромному количеству электромагнитов разных типов и даже собственным электростанциям.

По оценкам, расходы на строительство экспериментального токамака ITER (о нём ниже), которое ещё не завершено, могут превысить 20 млрд долларов. При этом реактор вообще не рассчитан на производство электроэнергии, то есть единственной прибылью от эксплуатации ITER будет опыт совместной работы учёных и экспериментальные данные.

Практическая магия: основные типы конструкции и вехи их развития

Условно установки для управляемого термоядерного синтеза можно разделить на четыре типа: токамаки, стеллараторы, зеркальные ловушки и импульсные системы. На их примере мы предлагаем рассмотреть как развитие идей, которые в дальнейшем могут привести к производству электроэнергии при помощи термоядерного синтеза, так и «тупиковые» ветви, которые по тем или иным причинам в ближайшие годы (или никогда) не выйдут за рамки теории и экспериментов.

Токамак — это сокращение от «тороидальная камера с магнитными катушками», каковая камера — главный элемент реактора, который служит для удержания плазмы. Намотанные вокруг камеры реактора магнитные катушки в данном случае применяются для того, чтобы создать специальное поле, удерживающее плазму от соприкосновения с её стенками, чего современные теплоизолирующие материалы просто не выдержали бы. В то же время через саму плазму также пропускается ток, который служит и для её нагрева, и для создания полоидального магнитного поля. В современных условиях это поле не может существовать дольше нескольких секунд, а без него плазма теряет свою стабильность, поэтому говорить о применении токамаков для постоянного производства электроэнергии ещё рано, хотя поддерживать ток более длительное время можно при помощи микроволнового излучения или введения в плазму нейтральных атомов дейтерия/трития.

Токамак KSTAR, Южная Корея, фото: Michel Maccagnan / Wikimedia Commons

Идеи токамаков впервые описали в Советском Союзе ещё в 50-х годах прошлого века, а первый такой реактор был построен в Курчатовском институте в 1954 году. Долгое время токамаки оставались чисто советской разработкой, но в 1970-х британские учёные подтвердили рекордные результаты разогрева плазмы, достигнутые на советском токамаке Т-3, и технологией заинтересовались по всему миру.

На сегодняшний день токамаки считаются наиболее перспективной разработкой, и в мире их количество превышает количество установок других типов. Среди достижений в этой сфере стоит отметить китайский EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak, построен при поддержке РФ), который достиг в 2018 году температуры плазмы в 100 млн градусов, европейский JET (Joint European Toru), который находится в Великобритании и считается крупнейшим токамаком в мире, а также уже упомянутый выше ITER, на котором остановимся более подробно.

Схема токамака ITER. Источник: Oak Ridge National Laboratory — ITER Tokamak and Plant Systems (2016) / Wikimedia Commons

Идея постройки ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor, международный термоядерный экспериментальный реактор) обсуждалась ещё в 1985 году, на встрече Рональда Рейгана и Михаила Горбачева, но реальное строительство началось только в 2010 году. В работе над реактором принимают участие множество стран, включая Японию, государства ЕС, Россию, США, Южную Корею, Китай и Индию. Итогом совместного проекта станет гигантское сооружение весом в 23 000 тонн, которое сместит JET с пьедестала самого крупного токамака на планете и теоретически будет способно довести показатель Q до 30, хотя создатели ITER не ставят перед собой цель добиться выработки электроэнергии — задача токамака окончательно доказать саму возможность использования термоядерного синтеза в этой сфере и проложить «путь» (именно так переводится с латыни сокращённое название реактора) для DEMO, первого токамака с «положительным» балансом, который запустится не раньше середины XXI века.

На долю Японии в проекте ITER выпали разработка и производство одного из важнейших элементов — сверхпроводящих катушек, необходимых для формирования магнитного поля вокруг камеры реактора. В частности, компания Toshiba занимается разработкой конструкции гигантских 16,5-метровых катушек для тороидального поля, которые весят около 300 тонн. При этом необходимо соблюдать крайне строгие допуски на размеры каждой детали — всего в несколько миллиметров — поэтому большим подспорьем становятся технологии и методы, изобретённые во время работы над японскими экспериментальными токамаками, JT-60 и JT-60SA.

Стеллараторы (от лат. stella — «звезда») получили своё название из-за схожести процессов в реакторе с теми, что происходят внутри звёзд. Первый образец был построен в 1951 году в США под руководством его изобретателя, Лаймана Спитцера. Основное отличие стеллараторов от токамаков заключается в конструкции магнитной ловушки: в стеллараторах для удержания плазмы в камере применяется только внешние катушки, которые создают силовые линии, вращающиеся вокруг камеры. Такая конструкция теоретически позволяет использовать магнитную ловушку в непрерывном режиме. В стеллараторах, как и в токамаках практически всегда применяется смесь дейтерия и трития, которая вводится в вакуумный сосуд камеры. В современных вариантах конструкции отказались от камеры в форме обычного тора в пользу сложных моделей, созданных с применением компьютерного моделирования. Их цель — добиться максимальной эффективности удержания плазмы.

Стелларатор Wendelstein 7-X. Источник: Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Tino Schulz / Wikimedia Commons

Несмотря на возможность непрерывного воздействия на плазму и изменённую конструкцию камеры стеллараторы не получили такого широкого распространения, как токамаки. В первую очередь это связано с большей сложностью конструкции и меньшей их эффективностью в современных условиях. Wendelstein 7-X, построенный в г. Грайфсвальд в Германии в 2015 году стал крупнейшим стелларатором в мире и своеобразной «эпитафией» этой разработке. По расчётам учёных он должен был довести время непрерывного воздействия электромагнитов на плазму до 30 минут, чтобы продемонстрировать возможность использования стеллараторов для долгосрочной генерации электроэнергии. При этом в 2018 году в ходе эксперимента температуру плазмы удалось поднять только до 40 000 градусов Цельсия, а время работы — довести до 100 секунд. Следующие испытания запланированы на 2021 год.

Импульсные системы — этот тип установок для управляемого термоядерного синтеза остаётся по большей части теоретической разработкой. Ещё академик Андрей Сахаров в 1960 году доказал, что термоядерный синтез возможен без использования магнитных ловушек, предложив противоположный классическому подход. В данном случае речь идёт не о сверхразреженной плазме, которую электромагнитные поля удерживают на месте долгое время, а о сверхплотном (и крайне недолговечном) её варианте. Миниатюрные «мишени» с замороженным D-T составом в импульсных системах предлагается взрывать при помощи мощных лазеров или пучков излучения, чтобы добиться своеобразного аналога взрывов топлива в бензиновых двигателях, только на уровне термоядерных реакций. Такая система с периодическими взрывами может обеспечить почти непрерывную цепочку из термоядерных реакций, вырабатывающих энергию, при этом (в теории) не повреждая оболочку реактора.

Лазерный ангар NIF/ Источник: Lawrence Livermore National Laboratory, Lawrence Livermore National Security, LLC, and the Department of Energy — National Ignition Facility / Wikimedia Commons

Из существующих разработок в этой сфере стоит упомянуть проект MagLIF и установки NIF (National Ignition Facility, или Национальный комплекс лазерных термоядерных реакций) Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в Калифорнии. Несмотря на сохраняющийся потенциал этой идеи в 2012 году правительство США планировало прекратить финансирование программы из-за мизерных практических результатов. По состоянию на сегодняшний день эксперименты продолжаются, но сложность самих «мишеней» и необходимость регулярной доставки их в камеру, в которой затем происходит взрыв, эквивалентный тонне тротила, оставляют этот тип установок далеко позади токамаков и стеллараторов по уровню практичности.

Зеркальные ловушки — первый эксперимент с использованием «открытых» магнитных ловушек был проведен ещё в 1955 году во всё той же Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса. Идея ловушек заключалась в том, чтобы использовать не закрытый тор, а магнитный сосуд вытянутой формы, открытый с двух противоположных концов. «Новая» плазма в этом случае должна была разогреваться до нужной температуры, отдавать энергию и выходить через боковые отверстия (либо отбиваться магнитным полем обратно, как от зеркал — отсюда и название). Благодаря такой форме и механизму их стоимость оказалась намного ниже, чем у конкурирующих разработок, так что какое-то время зеркальные ловушки казались крайне перспективной разработкой. Но со временем экспериментаторы столкнулись с нестабильностью плазмы, плохо изученной на момент начала разработок, что привело к проблемам и невозможности достичь необходимых для термоядерного синтеза температур. В дальнейшем в конструкцию неоднократно вносились изменения, но амбициозная американская установка MFTF, например, была закрыта ещё до начала пробных запусков, так как токамаки в итоге оказались проще, мощнее и дешевле.

Из интересных разработок этого типа стоит отметить российский ГДЛ (газодинамическая ловушка) из Новосибирска, который создаётся на базе советского проекта 50-х годов, «открытой» ловушки «пробкотрон Будкера». По состоянию на 2018 год учёным Новосибирского Института ядерной физики СО РАН удалось достичь температуры в 10 млн градусов, а в 2020 году они получили грант от Минобрнауки РФ на закупку нового оборудования для продолжения экспериментов.

Красивое завтра: вместо выводов

Среди учёных, занимающихся проблемами термоядерного синтеза, ходит шутливое высказывание, что до успеха исследований и начала коммерческого применения реакторов «осталось всего-то лет 30», причём отвечают они так уже далеко не первый десяток лет (стабильность!). Тем не менее, технологии продолжат развиваться, а человечество — искать способы «приручить» термоядерный синтез и создать миниатюрное искусственное Солнце, которое обеспечит наши потребности в электроэнергии без риска повторить Чернобыльскую катастрофу и без постоянного вреда для экологии планеты. Прямое влияние на эти исследования могут оказать такие разработки, как ITER, и мы рады, что Япония и корпорация Toshiba принимают в них непосредственное участие. А что будет дальше… посмотрим через 30 лет.

Ядерный синтез: решение будущих энергетических проблем человечества

Законы физики дают нам возможность получать энергию разными способами. В механике для этого используется движение объектов – веса под воздействием гравитации, текущая вода или движущийся воздух, вращающий колесо либо турбину. Вращательное движение затем используется для генерации электричества. Существуют определённые химические реакции, зависящие от электронных переходов в атомах и молекулах – топливо какого-либо рода подвергается химической реакции, в т.ч. горению, и генерирует энергию, которую мы осваиваем и пускаем в работу. А ещё бывают ядерные реакции, про которых связи между нейтронами и протонами атомных ядер либо разбиваются, либо наоборот, создаются с выходом энергии.

Энергия, добываемая посредством механической работы хороша тем, что для этого используются существующие в природе ресурсы – будь то энергия воды или ветра. Минус же её состоит в том, что у неё есть проблемы с надёжностью и масштабируемостью, а также в том, что она негативно влияет на окружающую среду. Химические реакции используют все формы жизни – будь то фотосинтез у растений или метаболизм у животных. Но как источник энергии реакции горения имеют ограниченный ресурс, и тоже серьёзно загрязняют окружающую среду.

Ядерная энергия тут стоит особняком. Она в сотни тысяч раз эффективнее химических реакций в пересчёте на количество энергии, извлекаемой из единицы массы. И вот, что такое энергия ядерного синтеза и почему она – будущее (но пока не настоящее) добычи энергии на Земли.

Довольно странно, что самые крохотные строительные кирпичики материи – ядра атомов – таят в себе величайший потенциал на выход энергии. Но так и есть. Если электронные переходы в атоме приводят к выделению энергии порядка 1 эВ, то переходы между различными конфигурациями ядер выделяют энергию в миллион раз больше – около 1 МэВ. В целом есть два способа получить энергию при помощи ядер: разделить тяжёлые ядра в реакции деления или объединить лёгкие ядра в реакции синтеза.

И реакция деления, и реакция синтеза проходят с выходом энергии. Самые стабильные элементы таблицы Менделеева – это элементы с номерами от 26 до 28 (железо, кобальт, никель). Более лёгкие элементы выделяют энергию при синтезе, более тяжёлые – при делении.

Атомную бомбу можно сделать и на делении ядер, и на синтезе – обе этих реакции могут перейти в самоподдерживающийся режим с выходом большого количества энергии. Но эти же реакции можно использовать и для других целей.

Реакция деления обычно связана с поглощением нестабильным ядром частицы — например, нейтрона. Когда такое ядро – к примеру, уран-235 — поглощает нейтрон, оно делится на две части, испускает ещё больше нейтронов и вызывает цепную реакцию. Если ход реакции не ограничивается, получается бомба. Если скорость деления можно контролировать, поглощая нейтроны и создавая условия по ограничению их скорости, его можно использовать для получения энергии. Так работают современные ядерные реакторы.

Потенциально ядерный синтез позволяет освобождать больше энергии, чем деление. Синтез происходит в ядрах звёзд, где температура превышает 4 млн К, и это основная реакция, дающая энергию нашему Солнцу. Выход энергии термоядерной бомбы на порядки превышает таковой у атомной – мегатонны против килотонн.

У всех рассматриваемых типов получения энергии есть три важных проблемных аспекта.

Доступность . Нам нужно, чтобы энергия была доступна по запросу, чтобы мы могли увеличивать её добычу по необходимости, и чтобы мы не тратили ресурсы, если энергия нам не нужна. Тут больше гибкости дают такие надёжные ресурсы, как ископаемое горючее или гидроэлектростанции со стабильным потоком воды, чем такие ненадёжные и капризные, как ветер или солнечная энергия.

Запасы . На Земле энергия ветра и солнца будет существовать (почти) всегда. Запас ископаемого топлива же – угля, нефти и природного газа – конечен. Ресурсов для реакций с делением ядер тоже не бесконечное количество, хотя и больше, чем перечисленных. И тем не менее, чем больше мы добываем и перерабатываем урана и других подходящих элементов, тем сложнее его будет добывать.

Экологичность . Сжигая ископаемое топливо, мы выбрасываем в атмосферу загрязняющие вещества и парниковые газы. Работая с реакциями деления ядер, мы производим радиоактивные остатки – некоторые из них живут мало, а другие останутся многим будущим поколениям людей. По некоторым данным, с начала промышленной революции использование нами энергии повлияло на состояние климата планеты, и эта проблема становится с каждым годом всё серьёзнее.

Эти три аспекта дают представление о том, почему энергия ядерного синтеза является мечтой человечества. Если мы сможем контролировать скорость реакции, мы сможем получать нужное количество энергии по запросу, практически не плодя отходов. Топливо реактора, водород и его изотопы, в изобилии доступно на Земле. Это топливо не закончится и за миллиард лет. И хотя такая реакция может выдавать небольшое количество радиоактивных материалов вроде трития, нет никакого риска расплавления топливных элементов в реакторе или долгосрочного негативного влияния на окружающую среду. Даже по сравнению с солнечной энергией, при получении которой для создания панелей требуется добыча редкоземельных элементов и трата химикатов и конечных ресурсов, энергия синтеза выглядит наиболее экологичной.

Конечно, для всего этого великолепия требуется достичь прогресса в достижении самоподдерживающейся реакции синтеза, которая будет выдавать больше энергии, чем нужно для работы реактора.

Сложной эта проблема является по двум причинам. Во-первых, сама задача запуска термоядерной реакции далеко не банальна. Если ограничиваться таким топливом, как водород, дейтерий, гелий-3 и другими лёгкими стабильными изотопами, для запуска реакции требуются огромные температуры и энергии. Контролировать и поддерживать необходимые для реакции условия чрезвычайно сложно.

Во-вторых, подходить к этой задаче с точки зрения простого производства большего количества энергии, чем было вложено для запуска реакции – значит, создавать бомбу. Вместо этого нужно добиться достаточно медленного производства энергии, чтобы её можно было использовать для реальных дел.

Для достижения точки возврата вложенной энергии требуется как получение в реакции большего количества энергии, чем было вложено, так и извлечение этой энергии и запуск её в работу. Пока что обе проблемы сразу ещё никто не решил, однако исследователи используют три основных подхода для приближения к перевороту в деле получения энергии человечеством.

Подход №1 : Магнитное удержание плазмы. Термоядерное топливо – это не просто атомы, это атомные ядра. Один из подходов подразумевает ионизацию атомов, т.е. полное удаление электронов до состояния, в котором останутся только атомные ядра. Получится сверхразогретая плазма из атомных ядер, способных к синтезу – останется только столкнуть их вместе, преодолев силы отталкивания.

Наиболее успешным методом в рамках данного подхода было заключение этой плазмы в одном месте при помощи мощных электромагнитов в тороидальной камере с магнитными катушками – токамаке. Эту схему предложили ещё в 1950-х годах советские физики, а первый токамак они построили в 1954-м. С тех пор эту схему изучают и совершенствуют, и периодически в токамаках проходят термоядерные реакции.

Ключевая сложность данного подхода заключается в удержании плазмы на одном месте, чтобы она не сталкивалась со стенками устройства, и извлечение полученной энергии, которую можно применить с пользой. И хотя такой подход долгое время считался наиболее многообещающим путём к термояду, финансировались эти проекты всегда плачевно и совершенно недостаточно для выхода на долговременные успешные решения.

Подход №2 : Инерциальный управляемый термоядерный синтез. А может, проще не возиться со всеми этими магнитными полями, и подойти к задаче методом грубой силы? Если взять небольшую порцию топлива, подверженного синтезу и выстрелить в неё со всех сторон мощными лазерами, это резко повысит её температуру и плотность – возможно, вплоть до инициации термоядерной реакции. И хотя для лазерного выстрела, сжимающего порцию топлива, требуется огромное количество энергии, вполне возможно, что в результате реакции выделится больше энергии и когда-нибудь таким образом будет достигнута точка нулевых затрат.

Подобный подход тоже существует несколько десятилетий, и термоядерные реакции вполне достижимы и таким методом. Но и тут остаются нерешёнными две тех же проблемы. Для запуска реакции требуется накопление огромного количества энергии в конденсаторах и одновременный её выпуск. Самоподдерживающейся реакции не получается – получается только всплеск энергии, после которого возникают трудности со сбором этой энергии.

И хотя мы приближаемся к конечной цели, мы ещё на много порядков не добираем до точки нулевых трат энергии, и эта область остаётся серьёзно недофинансированной.

Подход №3 : другие методы. Другие методы предлагают различные частные институты – как добропорядочные, так и подозрительные, а иной раз и просто мошеннические. Из множества альтернативных подходов выделяются два, которые реально способны выдать термоядерную реакцию. Оказывается, что синтеза достичь не так уж и сложно – сложно подобраться к точке нулевых затрат энергии.

Можно попробовать магнитно-инерциальный синтез, в котором сверхразогретая плазма создаётся и удерживается магнитами, после чего окружающие её поршни сжимают её в нужный момент. В результате такой комбинации упомянутых подходов происходит всплеск синтеза. Подобный подход является наиболее популярным среди альтернативных.

А можно попробовать субкритичный синтез, в котором реакция синтеза запускается при помощи субкритической реакции деления, не имеющей шансов расплавления топливных элементов. Этим подходом интересуются многие компании, но пока он дальше всех отстоит от точки нулевых трат энергии.

Как бывает со всеми передовыми технологиями, ими занимаются как множество настоящих исследователей, так и толпа мечтателей и любителей обещать несбыточного. Некоторые из них идут по пути компании Solyndra – занимаются базовыми исследованиями, уповая на маловероятный путь к успеху. Другие ведут себя как Theranos, заявляя о несуществующих технологиях. Пока что область термояда больше похожа на тёмный лес.

Пока что никто не достиг особых успехов, кроме учёных из Ливерморской национальной лаборатории, объявивших в декабре 2022 года о достижении долгожданного этапа приручения этого типа энергии. Впервые термоядерная реакция произвела больше энергии, чем было затрачено на её поддержание. Инженеры использовали второй подход, а именно инерциальный управляемый термоядерный синтез.

На достижение этого потребовалось семь десятилетий. Первый пункт из списка вопросов к термоядерной энергии они осилили – получили больше энергии, чем потратили. Остаётся другой важный вопрос – можно ли использовать выработанную энергию? Пока что до этого ещё далеко.

Специалист по физике плазмы, в данный момент находящийся на пенсии, Дэниел Джессби, в 2019 году в своей статье «Вуду термояда» писал:

Исследовательские организации, занимающиеся вопросом поддержания долгосрочных термоядерных реакций, в массе своей поддерживаемые правительствами, представляют собой парад голых королей, которые только изредка подтверждают необоснованные заявления и предсказания. Одной из особенностей этих игроков является то, что они никогда не демонстрируют поступления электричества в энергосеть, зато всегда забирают огромные количества этой энергии из сети. Ненасытное потребление электричества – неизбежный признак всех наземных попыток запуска термояда.

Всё это подчёркивает основную проблему нашего энергетического сектора. В данный момент больше всего энергии производится по технологиям XVIII века – сжиганием ископаемого топлива, что является главной причиной увеличения количества CO₂ в атмосфере, окисления океанов и быстрого изменения климата. Лучшую технологию из имеющихся у нас, способную заменить этот древний и богатый на неприятные последствия способ, оболгали и оклеветали из-за страха перед ядерными отходами, радиоактивными осадками, ядерными войнами и прочим. Несмотря на поддержку науки, ядерная энергия сегодня даёт лишь малую часть всей энергии, которой пользуется человечество.

Несмотря на высочайший спрос на базовые исследования в энергетическом секторе и совершенно недостаточное финансирование исследований термояда, ситуация не меняется. И если мы не начнём как следует вкладываться в реальную, настоящую технологию, находящуюся практически на расстоянии вытянутой руки, у нас так и будут появляться компании двух видов. Первые будут искренне верить в то, что они продают, без учёта законов физики. Вторые будут откровенно обманывать инвесторов ради получения прибылей.

Ядерный синтез – реакция, дарующая и поддерживающая жизнь. Она идёт в сердце любой звезды, а также в бесчисленных количествах коричневых карликов – небесных тел, не дошедших до состояния звёзд, но набравших материи достаточно для синтеза дейтерия. При синтезе лёгких элементов получается элемент с массой, меньшей, чем сумма соединившихся атомов, а разница выделяется согласно формуле Эйнштейна, E = mc 2 . Если оценивать доступность энергии, топлива и влияние на окружающую среду, термояд оставляет далеко позади все остальные варианты, имеющиеся на сегодня.

Что такое термоядерный синтез?

×

Хотите узнать больше о деятельности МАГАТЭ? Подпишитесь на нашу ежемесячную электронную рассылку, чтобы быть в курсе самых важных новостей, получать аудио- и видеоматериалы и многое другое.

Что есть что в ядерной сфере
Маттео Барбарино , Департамент ядерных наук и применений МАГАТЭ

Термоядерный синтез — это процесс, в ходе которого два легких атомных ядра объединяются в одно более тяжелое ядро с высвобождением огромного количества энергии.

Реакции синтеза происходят в агрегатном состоянии вещества, называемом плазмой — горячем заряженном газе, состоящем из положительных ионов и свободно движущихся электронов, который обладает уникальными свойствами, отличными от свойств твердых тел, жидкостей или газов.

Солнце, как и другие звезды, излучает энергию именно благодаря этой реакции. Для того чтобы внутри Солнца произошло слияние ядер, они должны столкнуться друг с другом при чрезвычайно высокой температуре, около десяти миллионов градусов Цельсия. Высокая температура дает им достаточно энергии, чтобы преодолеть взаимное электрическое отталкивание. Как только ядра преодолевают его и оказываются на очень близком расстоянии друг от друга, ядерная сила притяжения между ними перевешивает силу отталкивания и позволяет им слиться. Чтобы это произошло, ядра должны находиться в замкнутом пространстве, что увеличивает вероятность их столкновения. Идеальные условия для термоядерного синтеза на Солнце обеспечивает колоссальное давление, создаваемое мощной гравитацией.

Для чего ученые изучают термоядерные процессы?

С тех пор, как в 1930-х годах была сформулирована теория ядерного синтеза, многие ученые, такие как Ханс Бете, Пётр Капица и Игорь Тамм, а в последнее время и инженеры, стремились воспроизвести этот процесс и управлять им. Это связано с тем, что если ядерный синтез удастся запустить на Земле и реализовать в промышленных масштабах, то он сможет обеспечить практически безграничное количество чистой, безопасной и доступной энергии для удовлетворения мировых потребностей.

Термоядерный синтез способен генерировать в четыре раза больше энергии на килограмм топлива, чем деление ядер (используемое на атомных электростанциях) и почти в четыре миллиона раз больше энергии, чем сжигание нефти или угля.

Большинство разрабатываемых концепций термоядерных реакторов предполагают использование смеси дейтерия и трития — атомов водорода, содержащих дополнительные нейтроны. Теоретически, используя всего несколько граммов этих реактивов, можно получить тераджоуль энергии — такого количества энергии одному жителю развитой страны может хватить примерно на шестьдесят лет.

Термоядерное топливо широко распространено и легко доступно: дейтерий может быть извлечен из морской воды, для чего не требуются дорогостоящие технологии, а тритий потенциально может быть получен в результате реакции нейтронов, генерируемых при термоядерном синтезе, с литием, широко доступным в природе. Этих запасов топлива хватит на миллионы лет. Также будущие термоядерные реакторы безопасны по своей природе и, как ожидается, не будут вырабатывать высокоактивные или долгоживущие ядерные отходы. Кроме того, поскольку процесс термоядерного синтеза трудно запустить и поддерживать, нет риска возникновения цепной реакции и расплавления реактора; термоядерный синтез может происходить только в строгих эксплуатационных условиях, вне которых (например, в случае аварии или отказа системы) плазма естественным образом остынет, очень быстро потеряет свою энергию и погаснет, прежде чем реактору будет нанесен какой-либо существенный ущерб.

Важно отметить, что ядерный синтез, как и деление ядер, не приводит к выбросу в атмосферу углекислого газа и других парниковых газов, поэтому во второй половине этого века он может стать долгосрочным источником низкоуглеродной электроэнергии.

Горячéе солнца

На Солнце условия для термоядерного синтеза естественным образом создаются благодаря мощнейшей гравитационной силе, однако без этой силы для запуска реакции необходима температура даже выше, чем внутри Солнца. На Земле для синтеза дейтерия и трития необходима температура более 100 миллионов градусов Цельсия, и одновременно с этим должно регулироваться давление и магнитные силы, чтобы обеспечить стабильное удержание плазмы и поддержание реакции синтеза в течение достаточно долгого времени, чтобы произвести больше энергии, чем потребовалось для ее запуска.

Хотя условия, очень близкие к необходимым для создания термоядерного реактора, в настоящее время регулярно воспроизводятся в ходе экспериментов, для поддержания реакции и устойчивого получения энергии все еще необходимо усовершенствовать методы удержания плазмы и обеспечения ее стабильности. Ученые и инженеры со всего мира продолжают разрабатывать и испытывать новые материалы и технологии для получения чистой термоядерной энергии.

Чего мы добились в развитии термоядерных технологий?

Исследования в области термоядерного синтеза и физики плазмы ведутся более чем в 50 странах, и термоядерные реакции были успешно запущены в ходе многих экспериментов, хотя пока и без выделения бóльшего количества энергии, чем изначально требовалось для запуска самой реакции. Специалистами уже были придуманы различные конструкции и установки на основе магнитов, в которых может происходить реакция термоядерного синтеза, такие как стеллараторы, разработанные в США Лайманом Спитцером, и токамаки, разработанные в СССР Андреем Сахаровым и Игорем Таммом, а также подходы, основанные на использовании лазеров, линейных ускорителей и усовершенствованного топлива.

Сколько времени потребуется для успешного освоения термоядерной энергии будет зависеть от мобилизации ресурсов за счет создания глобальных партнерств и налаживания сотрудничества, а также от того, насколько быстро промышленность сможет разработать, проверить и сертифицировать новые термоядерные технологии. Другим важным вопросом является параллельное развитие необходимой ядерной инфраструктуры, в том числе требований, стандартов и передового опыта, необходимых для работы с этим будущим источником энергии.

После 10 лет проектирования, подготовки площадки и производства компонентов по всему миру, в 2020 году во Франции началась сборка ИТЭР — крупнейшей в мире международной термоядерной установки. ИТЭР — это международный проект, целью которого является демонстрация научной и технологической осуществимости производства термоядерной энергии, а также отработка технологий и концепций для будущих демонстрационных термоядерных энергетических установок, называемых DEMO. ИТЭР начнет осуществлять свои первые эксперименты во второй половине этого десятилетия, а эксперименты на полной мощности планируется начать в 2036 году.

Временные рамки реализации программ DEMO в разных странах варьируются, но эксперты сходятся во мнении, что термоядерная электростанция, вырабатывающая электроэнергию, может быть построена и запущена к 2050 году. Параллельно с этим, определенные успехи в разработке концепций термоядерных электростанций также достигаются многочисленными коммерческими предприятиями, финансируемыми из частных источников. Опираясь на знания, накопленные за годы исследований и разработок, финансируемых государством, они стремятся обуздать термоядерную энергию еще раньше.

Какую роль играет МАГАТЭ?

МАГАТЭ уже давно находится в центре международных исследований и разработок в области термоядерного синтеза и недавно начало поддерживать инициативы по разработке и внедрению технологий на ранних стадиях.

• Для обмена информацией о достижениях в области ядерного синтеза МАГАТЭ начало выпускать в 1960 году журнал, посвященный термоядерному синтезу. В настоящее время этот журнал считается ведущим периодическим изданием в данной области. МАГАТЭ также регулярно публикует технические документы, информационные и образовательные материалы по термоядерному синтезу.
• Первая международная Конференция МАГАТЭ по энергии термоядерного синтеза была проведена в 1961 году, а с 1974 года МАГАТЭ созывает конференцию каждые два года, чтобы способствовать обсуждению разработок и достижений в этой области. Посмотрите короткий фильм об истории этой серии конференций.

• С 1971 года свой вклад в укрепление международного сотрудничества в области термоядерных исследований вносит Международный совет МАГАТЭ по исследованиям термоядерного синтеза.
• Соглашение по ИТЭР передано на хранение Генеральному директору МАГАТЭ. Партнерство между МАГАТЭ и Организацией ИТЭР осуществляется на основе соглашения о сотрудничестве, подписанного в 2008 году, которое было расширено в 2019 году.
• МАГАТЭ содействует международному сотрудничеству и координации деятельности по программам DEMO во всем мире.
• МАГАТЭ проводит ряд технических мероприятий и координированных исследований по темам, связанным с физикой термоядерного синтеза и разработкой и внедрением соответствующих технологий, а также организует и поддерживает образовательные и учебные мероприятия по термоядерному синтезу.
• МАГАТЭ администрирует цифровые базы основных данных по исследованиям термоядерной энергии, а также Информационную систему по термоядерным устройствам (FusDIS), в которой собрана информация о термоядерных устройствах, эксплуатируемых, строящихся или проектируемых по всему миру.
• МАГАТЭ осуществляет проект, посвященный синергизму развития технологий на стыке использования ядерных реакций деления и синтеза для производства энергии, а также обеспечению долгосрочной устойчивости — включая обращение с радиоактивными отходами — и правовым и институционным вопросам в области термоядерных установок.
• МАГАТЭ изучает ключевые аспекты безопасности, охватывающие весь жизненный цикл термоядерных установок, что предполагает выпуск соответствующих руководящих материалов и специализированных справочных документов.
• МАГАТЭ содействует предварительному обоснованию типовой демонстрационной установки термоядерного синтеза.

Материалы по теме

Открывается Международная конференция по термоядерному синтезу (на англ. языке)

Подготовка международной дорожной карты по созданию демонстрационной термоядерной энергетической установки

Обеспечение надежной и успешной эксплуатации ИТЭР и DEMO (на англ. языке)

Технологии для термоядерного синтеза: Форум МАГАТЭ продвигает передовые модели (на англ. языке)

МАГАТЭ активизирует сотрудничество с проектом ИТЭР в области ядерного синтеза (на англ. языке)

Ресурсы по теме

• Термоядерный синтез
• Термоядерный синтез: часто задаваемые вопросы (на англ. языке)
• Портал по термоядерному синтезу (на англ. языке)
• Информационная система по термоядерным устройствам (FusDIS)
• Энергия термоядерного синтеза, Бюллетень МАГАТЭ (Том 62/2, Май 2021)
• Журнал МАГАТЭ, посвященный термоядерному синтезу (на англ. языке)
• Будущее термоядерной энергии (на англ. языке)
• Что есть что в ядерной сфере

Что такое термоядерный синтез и почему его так сложно запустить?

Пятьсот лет назад ацтеки, проживавшие на территории современной Мексики, верили, что солнечная энергия иссякнет без крови от человеческих жертвоприношений. Сегодня мы знаем, что Солнце, а также все другие звезды вырабатывают энергию за счет реакции, называемой термоядерным синтезом. Если термоядерный синтез удастся воспроизвести на Земле, то будет получено практически безграничное количество чистой, безопасной и доступной энергии для удовлетворения мирового спроса.

Как именно происходит термоядерный синтез? Вкратце термоядерный синтез — это процесс, в ходе которого два легких атомных ядра объединяются в одно более тяжелое ядро с высвобождением огромного количества энергии. Термоядерные реакции происходят в материи, находящейся в состоянии плазмы — горячего заряженного газа, состоящего из положительных ионов и свободно движущихся электронов и обладающего уникальными свойствами, отличными от твердых тел, жидкостей и газов.

При слиянии на Солнце ядра сталкиваются друг с другом при очень высокой температуре, превышающей десять миллионов градусов Цельсия, что необходимо для преодоления взаимного электрического отталкивания. Как только ядра преодолевают это отталкивание и оказываются на очень близком расстоянии друг от друга, ядерная сила притяжения между ними перевешивает электрическое отталкивание и позволяет им слиться. Чтобы это произошло, ядра должны находиться в замкнутом пространстве, что увеличивает вероятность их столкновения. На Солнце условия для термоядерного синтеза создаются в результате колоссального давления, создаваемого его огромной гравитацией.

Количество энергии, выделяемой при термоядерном синтезе, очень велико — в четыре раза больше, чем при реакциях деления ядер. На термоядерных реакциях может быть основана работа будущих термоядерных энергетических реакторов. Согласно планам в термоядерных реакторах первого поколения будет использоваться смесь тяжелых изотопов водорода — дейтерия и трития. В теории с использованием всего нескольких граммов этих реагентов можно произвести один тераджоуль энергии, что приблизительно равно энергии, необходимой одному человеку в развитой стране в течение шестидесяти лет.

Путь к звездам

На Солнце термоядерный синтез естественным образом вызывается огромной гравитационной силой, однако без этой силы для протекания реакции необходима более высокая температура. На Земле для слияния дейтерия и трития нужна температура, превышающая 100 миллионов градусов Цельсия, и сильное давление, а также достаточно замкнутое пространство для удержания плазмы и обеспечения протекания термоядерной реакции в течение определенного времени для достижения чистого прироста энергии, когда количество произведенной термоядерной энергии больше, чем количество энергии, использованной для нагрева плазмы.

Хотя в настоящее время в ходе экспериментов регулярно достигаются условия, очень близкие к тем, которые требуются в термоядерном реакторе, необходимо улучшить показатели удержания и стабильности плазмы. Ученые и инженеры со всего мира продолжают испытывать новые материалы и разрабатывать новые технологии для получения термоядерной энергии.

Исследования в области термоядерного синтеза и физики плазмы проводятся более чем в 50 странах, и в ходе многих экспериментов были успешно проведены термоядерные реакции, хотя чистый прирост энергии так и не был достигнут. Количество времени, необходимого для воссоздания процесса, происходящего на звездах, будет зависеть от мобилизации ресурсов в рамках глобального партнерства и сотрудничества.

История сотрудничества

С тех пор как в 1930‑е годы стало понятно, как работает термоядерный синтез, ученые не оставляют попыток воспроизвести и использовать его. Вначале эти попытки держались в секрете. Однако вскоре стало ясно, что такие сложные и дорогостоящие исследования можно проводить только на основе сотрудничества. На второй Международной конференции Организации Объединенных Наций по использованию атомной энергии в мирных целях, состоявшейся в 1958 году в Женеве, Швейцария, ученые поведали миру об исследованиях в области термоядерного синтеза.

МАГАТЭ всегда было в авангарде международных термоядерных исследований. В 1960 году МАГАТЭ начало издавать журнал «Ядерный синтез» в целях обмена информацией о соответствующих достижениях, и сегодня он считается ведущим периодическим изданием в этой области. Первая международная Конференция МАГАТЭ по энергии термоядерного синтеза состоялась в 1961 году, и с 1974 года МАГАТЭ проводит такую конференцию каждые два года, чтобы стимулировать обсуждение событий и достижений в этой сфере.

В 2007 году по итогам длившихся два десятилетия переговоров относительно конструкции и местонахождения крупнейшей в мире международной термоядерной установки во Франции началось строительство ИТЭР, чтобы продемонстрировать научную и техническую возможность выработки термоядерной энергии. Депозитарием Соглашения ИТЭР является Генеральный директор МАГАТЭ. После ИТЭР планируется создание демонстрационных термоядерных энергетических установок (DEMO), призванных показать, что управляемый термоядерный синтез может генерировать нетто-электроэнергию. МАГАТЭ проводит семинары-практикумы по DEMO для облегчения сотрудничества в определении и координации регулярной деятельности по программе DEMO во всем мире.

Ожидается, что термоядерный синтез сможет удовлетворять энергетические потребности человечества в течение миллионов лет. Термоядерное топливо имеется в избытке, и его легко получить: дейтерий можно с небольшими затратами добывать из морской воды, а тритий можно производить из широко распространенного в природе лития. Термоядерные реакторы не будут вырабатывать высокоактивные долгоживущие ядерные отходы, а аварии с расплавлением активной зоны термоядерного реактора практически невозможны.

Важно отметить, что в результате термоядерного синтеза в атмосферу не выбрасывается углекислый газ и другие парниковые газы. Вместе с АЭС, работа которых основана на принципе деления ядер и которые также являются низкоуглеродным источником энергии, в будущем термоядерные электростанции смогут внести вклад в смягчение последствий изменения климата.