Я работаю в одном из исследовательских институтов Технологического института Карлсруэ, Германия. Про свою работу здесь буду рассказывать поверхностно и только то, что доступно в открытой печати. Предыдущие посты про науку: 1. Российская и немецкая наука с моей точки зрения, 2. Немецкая и российская наука с моей точки зрения (Дополнение), 3. Работа в одном из исследовательских институтов России, 4. Один день в исследовательском институте в Германии.
Сначала немного истории. В 2009 году были объединены Университет Карлсруэ, который в основном находится в самом городе и Научно-исследовательский центр Карлсруэ, который в основном располагается на севере за городом в Campus Nord. Новый объединенный центр получил название Технологического института Карлсруэ (Karlsruhe Institute of Technology) по аналогии с американским Massachusetts Institute of Technology.
Я работаю в Campus Nord, бывшем Forschungszentrum, созданном вначале как ядерный исследовательский центр. Здесь же был открыт первый, спроектированный немцами реактор.
В 2000 году правительство Германии в угоду зеленым решило постепенно сворачивать атомную энергетику. А в 2011 после взрыва на Фукусиме в Японии этот план ускорили и из 17 реакторов сразу закрыли 8. На данный момент в Германии работает 7 энергоблоков, которые вырабатывают 13% всей электроэнергии. Очень многие немцы (в том числе и те, у которых я живу) сильно критикуют действия правительства по отказу от атомной энергетики. Во-первых, правильнее было бы сначала обзавестись новыми электростанциями, работающими на других источниках, а потом закрывать атомные. Во-вторых, стоимость электроэнергии для домохозяйств очень сильно выросла (говорят, в 2 раза), а для промышленности не так существенно. Причем о повышение стоимости никто не предупреждал. В-третьих, Германия стала закупать электроэнергию у Франции, а там за границей в каких-то ста километрах от Германии могут стоять атомные электростанции. Если произойдет авария, то Германию все равно может накрыть радиацией из Франции. Таким образом, Германия столкнулась с серьезным дефицитом электроэнергии, и поэтому она вкладывает деньги в альтернативную энергию: солнечную, ветряную, приливную, геотермальную, биологическую энергию (те же дрова) и термоядерную энергию.
Что такое термоядерная энергия? Если просто, то это энергия, выделяемая при реакции объединения более легких атомов с образованием более тяжелых. Однако для запуска реакции необходимо воссоздать по сути условия внутри нашего Солнца: температура порядка 100 млн Кельвин и необходимую концентрацию плазмы. На данный момент наиболее перспективной (и требующей минимальную температуру) реакцией считается экзотермическая реакция соединения дейтерия и трития (изотопы водорода) с образованием атома гелия и одного нейтрона. Далее гифка из Википедии:
В чем преимущества термоядерной энергии? Дешевая термоядерная энергия - это мечта всего человечества. Теоретически с запуском реактора на такой энергии человечество получит почти неограниченный источник энергии, поскольку для реакции можно использовать простые вещества типа изотопов водорода. Другое преимущество термояда в высокой мощности и в том, что он не зависит от положения солнца и скорости ветра.
На каком этапе освоения термояда мы находимся? На данный момент запущены два проекта строительства экспериментальных термоядерных реакторов. Первый проект ITER уже частично строится во Франции. В проекте участвует весь мир, в том числе и Россия. Планируемую дату запуска недавно отсрочили с 2025 до 2035 годов. Этот реактор должен отработать несколько минут, но вся выделившаяся энергия будет просто сброшена в атмосферу. Реактор строится для отработки нескольких концепций работы. На данный момент ITER выглядит так (здесь и далее все фото и рисунки из интернета):
Второй проект DEMO будет намного мощнее ITER и должен будет дать первую электроэнергию. Пока запуск реактора намечается на 2050 год.
Каковы проблемы управляемого термоядерного синтеза? Еще в середине прошлого века человечество столкнулось со множеством трудностей, возникающих при создании условий термоядерного синтеза. Я не могу быть в курсе всех проблем, например, физики плазмы, микроволнового излучения, поэтому коснусь только тех, которые решает материаловедение.
В институте, в котором я работаю, решают следующие проблемы термояда:
1. Создание окна для микроволнового излучения. Я в этой области мало чего понимаю, но для нагрева плазмы из дейтерия и трития необходимо излучение, которое в свою очередь будет поступать в камеру через окно. Понятно, что окно должно выдерживать контакт с плазмой и мощным нейтронным излучением. На фото ниже представлено такое окно, сделанное на основе алмаза. Окно создавалось при участии Технологического института Карлсруэ.
2. Создание источника трития. Для работы термоядерного реактора постоянно необходимо топливо из дейтерия и трития. Если с дейтерием проблем особых нет, то трития в мире всего около 20 кг и стоит он целое состояние. Тритий - это радиоактивный изотоп водорода с периодом полураспада в 12 лет. И в ITER и в DEMO будут стоять источники трития на основе лития. При попадании нейтрона на литий (в составе керамики или жидкости) происходит реакция с образованием трития, который далее будет собираться (только в DEMO) и подаваться в камеру для термоядерной реакции. Предполагается, что в модулях за первой стенкой будут находиться источники трития.
3. Создание размножителя нейтронов. В ходе реакции дейтерия и трития образуется один нейтрон. Только небольшая часть нейтронов будет попадать на литиевую керамику и приводить к образованию трития. Этого будет явно недостаточно для потребностей реактора. Поэтому между модулей с источником трития необходимо помещать модули с размножителем нейтронов (на рисунке ниже в ячейках breeding zone). Одной из концепций размножения нейтронов является модуль, заполненный гранулами бериллия. При попадании одного нейтрона на бериллий образуется два нейтрона и другие побочные элементы. Эти нейтроны частично продолжают реакцию размножения в Be, либо попадают на литиевую керамику, как источник трития.
4. Создание первой стенки. Первая стенка, которая будет непосредственно контактировать с плазмой, будет изготовлена из вольфрама. Одна из проблем вольфрама, которую пытаются побороть в нашем центре - это его низкая пластичность и хрупкость. На рисунке выше эта стенка обозначена "First wall".
5. Выбор основного конструкционного материала внутри бланкета. Для этих целей необходим низкоактивируемый, достаточно жаропрочный материал со стабильными характеристиками при облучении. В качестве такого материала пока выбрана нержавеющая сталь ферритного класса, дисперсионно упрочненная частицами оксидов.
Я перечислил только те области исследования, о которых я слышал. Концепция реактора и бланкета еще не разработана. Некоторые конструкторы всего этого сидят в соседнем с нами здании. Работа финансируется европейскими программами по развитию термоядерной энергетики. По решению одной из вышеназванных проблем я и начинаю работать в качестве экспериментатора.
Что можно сказать о будущем термояда? Энергия явно не будет бесплатной. Для производства трития нужен дорогой литий. Для размножения нейтронов нужен дорогой бериллий. И литий, и бериллий будет необходимо время от времени заменять на новые. Отработавший материал придется как-то утилизировать, причем этот материал будет радиоактивным. Тем не менее это первый шаг человечества на пути к неисчерпаемой энергии. Мне очень импонирует, что мы хоть каким-то боком можем быть причастны к этому великому делу.
