Термоядерная реакция

На груди Железного Человека из серии известных комиксов работает миниатюрный термоядерный реактор: энергии на полеты за атмосферу ему хватает, а вот правдоподобности — нет. В реальности ученые всего мира не могут построить реактор для управляемого термоядерного синтеза даже высотой в несколько этажей. Что им мешает, если на Солнце «реактор» получился сам собой, и как скоро может наступить будущее термоядерной энергетики — разбиралась «Энергия+».

Солнце — гигантский термоядерный котел. Несколько миллиардов лет оно питает теплом и светом все живое на Земле. Наш желтый карлик светит и греет из-за постоянного слияния ядер водорода — этот процесс называется термоядерным синтезом. Сливаясь, атомы теряют часть своей массы, которая высвобождается в виде энергии. Это описывается знаменитым уравнением Эйнштейна E=mc2, согласно которому масса может превращаться в энергию и наоборот.

В результате столкновения ядер водорода возникает ядро более массивного химического элемента — гелия. Выделившаяся при этом энергия в шесть раз выше, чем в ходе реакции деления ядра урана, самого тяжелого долгоживущего (время, за которое половина ядер урана распадется на другие элементы, исчисляется миллиардами лет) элемента в природе. Именно реакция деления урана — источник энергии в реакторах современных атомных электростанций. Осуществить управляемую реакцию деления в первом промышленном реакторе удалось в середине XX века. С тех пор силы физиков-ядерщиков направлены на создание устройства, которое позволило бы управлять и термоядерным синтезом.

Для реакции управляемого синтеза нужны особые ядра водорода с дополнительными нейтронами, которые называются изотопами, — это дейтерий и тритий. Дейтерий стабилен, и его можно найти в морской воде. Тритий же — более редкий изотоп, который выделяют на атомных реакторах при получении лития. Заменить тритий может стабильный изотоп гелий-3. Добывать его так же трудно, но огромные залежи можно найти в грунте на поверхности Луны. Если технологии позволят недорого получать гелий-3 из лунной пыли, то этого будет достаточно для энергоснабжения всей планеты на тысячи лет. Останется лишь построить нужный реактор (токамак).

Реакция термоядерного синтеза (слияния двух легких ядер в одно более тяжелое), в ходе которой высвобождается колоссальное количество энергии

ПОЧЕМУ СЛОЖНО ПОСТРОИТЬ РЕАКТОР ДЛЯ СИНТЕЗА

Атомы всех окружающих нас веществ состоят из ядра и электронной оболочки. Ядра заряжены положительно, поэтому, согласно закону Кулона, они отталкиваются. Чтобы соединиться, им нужно преодолеть кулоновский барьер и сблизиться на расстояние действия ядерных сил — 10-15 метра (один метр, деленный на единицу с пятнадцатью нулями). Для этого необходима огромная энергия, которую можно получить в виде тепла. Солнечный климат для этого идеален, температура внутри звезды достигает экстремальных величин — 15 миллионов градусов. Вещество при такой температуре переходит в состояние плазмы, работать с которой в земных условиях не так-то просто.

Плазма считается четвертым агрегатным состоянием вещества. Если нагреть твердое вещество, оно становится сначала жидким, затем газообразным и, наконец, — плазмой. При температуре в десятки тысяч градусов атомы газа теряют свои электроны и превращаются в ионы — свободные электрические заряды. Такой газ называется ионизованным и является средой, проводящей электрический ток. В естественных условиях Земли плазма встречается в виде разрядов молний или в магнитосфере планеты при полярном сиянии. В космосе она буквально повсюду: материя в межгалактическом пространстве существует именно в плазменной форме. Солнце и звезды тоже являются сгустками сильно нагретой плазмы.

Вещество в состоянии плазмы видел каждый, когда в небе сверкала молния, а вот удержать и сжать такое вещество — задачка не из легких, но ее необходимо решить для реализации управляемого термоядерного синтеза на Земле

Удержать плазму внутри построенных человеком установок тяжело — нагреваясь до миллионов градусов, она плавит даже самое прочное покрытие. Поэтому стенки камер реактора для управляемого синтеза не должны соприкасаться с плазмой. Другое важное условие использования плазмы — сжатие. Если не сжимать разогретую плазму со всех сторон равномерно, она выскользнет, остынет, и реакции в ней прекратятся.

Плазма подобна надутому воздушному шарику — как бы равномерно вы ни надавливали на него, шар всегда будет просачиваться через пространство между пальцами. Солнечная плазма не разлетается по всему космосу из-за огромной массы звезды — ее гравитационное давление постоянно сжимает ядра атомов вместе. Масса Земли в 330 тысяч раз меньше, поэтому создать подобное давление на нашей планете невероятно трудно. Каждый раз, когда ученые пытались сжать плазму в реакторе, она выплескивалась наружу.

КАК ПРИЧЕСАТЬ ЕЖА, ИЛИ ПОПЫТКИ УДЕРЖАТЬ ПЛАЗМУ

К решению задачи удержания плазмы вплотную подошли советские ученые Института им. Курчатова в 1950-х. В магнитной ловушке, созданной под руководством академиков Андрея Сахарова и Игоря Тамма, горячая смесь дейтерия и трития удерживалась с помощью магнитного поля и не касалась стенок реактора. Эта экспериментальная установка c вакуумной камерой в форме бублика (тора) стала известна во всем мире под именем Токамак — тороидальная камера с магнитными катушками. В ней впервые удалось достичь температуры термоядерной реакции в 100 миллионов градусов — почти в 10 раз больше, чем внутри Солнца!

У любого термоядерного реактора типа токамака есть отверстие в центре. Объясняется это теоремой о причесывании ежа, согласно которой невозможно причесать свернувшегося клубком ежика так, чтобы ни одна его иголка не торчала наружу. Если придать плазме форму шара, то ее магнитное поле всегда будет иметь минимум одну выпадающую точку. С тором такой проблемы не возникнет, его можно гладко «причесать» по всей поверхности, причем разными способами.

Так выглядит изнутри тороидальная камера (токамак) для осуществления реакции синтеза

Прошло почти 70 лет, но токамак все еще остается самым перспективным типом термоядерных реакторов — практически у каждой развитой страны сегодня есть собственная тороидальная установка. Реакторы других форм создают для изучения свойств плазмы. Например, сферический токамак напоминает сплюснутый глобус и позволяет дольше удерживать плазму. А в стеллараторе, прозванном «мятым бубликом», магнитные катушки находятся снаружи тора, за счет чего он может работать без перерывов, в отличие от классического токамака.

Существуют и альтернативные виды реакторов, например установки на инерциальном удержании. На тритий-дейтериевую мишень размером с булавочную головку направляют больше сотни сверхмощных лазеров. Они нагревают мишень до сотен миллионов градусов и сжимают в тысячи раз, запуская термоядерную реакцию. Такую энергию, полученную лазерным синтезом, можно контролировать и использовать. Однако подобные реакторы работают в импульсном (непостоянном) режиме, поэтому вещество быстро разлетается и долго удерживать плазму не удается. Отдельная задача в том, чтобы сжать вещество абсолютно симметрично со всех сторон.

Наконец, даже если в реакторе удастся обеспечить нужную форму и плотность плазмы, потери энергии на это должны быть минимальны, чтобы термоядерная реакция была экономически выгодной. Это критерий Лоусона, который стал одной из главных целей управляемого термоядерного синтеза. Именно на выполнение этого условия нацелены современные экспериментальные мега-проекты термоядерного синтеза.

ОДИН РЕАКТОР НА 35 СТРАН

В 2010 году на юге Франции развернулась стройка исполинских масштабов. Здесь на базе исследовательского центра ядерной энергетики «Кадараш» создают международный термоядерный реактор – ITER (от латинского «путь»). Стоимость токамака ИТЭР оценивается в 20 миллиардов евро. Ни одно государство не может позволить себе запустить подобный проект самостоятельно, поэтому страны объединяют свои силы.

Вид с воздуха на установку ИТЭР — международную исследовательскую площадку для изучения свойств плазмы при реализации термоятерного синтеза

Вклад стран-участников не денежный, а технический. Практически у каждой из 35 стран есть собственные термоядерные мини-установки. Работа разделена по секторам будущего реактора, каждая из держав производит свою часть оборудования. Россия — один из главных участников: у наших ученых многолетний опыт использования токамаков.

ИТЭР будет весить 23 тысячи тонн (некоторые детали столь тяжелы, что пришлось усиливать дороги, ведущие к реактору), а по высоте, более 70 метров, он обгонит Спасскую башню. Объем плазмы, который надеются получить ученые, — 40 кубометров. Температура в мега-реакторе достигнет головокружительной отметки в 150 миллионов градусов. Чтобы добыть достаточное количество плазмы, магнитное поле в токамаке должно быть в 200 тысяч раз больше земного! Огромные сверхпроводящие магниты будут охлаждаться до экстремальной отметки в минус 269 градусов Цельсия. «Кадараш» станет самым горячим и самым холодным местом во Вселенной одновременно.

Завершить строительство ИТЭР планируют к концу 2025 года, тогда же ученые надеются получить первую плазму. Но запуск реактора не откроет эру управляемого термояда. ИТЭР — это прежде всего экспериментальная установка, призванная доказать, что человечество в принципе способно получать термоядерную энергию в промышленном масштабе.

Высота установки ИТЭР — более 70 метров

КОСТЮМ ТОНИ СТАРКА — БУДУЩЕЕ ИЛИ ФАНТАСТИКА?

Одна из необходимых особенностей современных токамаков — гигантские размеры. Чем меньше реактор, тем больше плазмы выделяется в процессе диффузии, и тем менее эффективно он работает. Поэтому о миниатюрных термоядерных реакторах в стиле костюма Железного Человека в ближайшем будущем мечтать не приходится. Однако сократить размеры токамаков может помочь искусственный интеллект (ИИ).

В 2022 году разработали алгоритм, способный создавать и контролировать плазму. ИИ прошел тесты на настоящем токамаке, где он управлял термоядерным синтезом. Если магнитными полями и плазмой внутри реактора получится управлять более тонко, его габариты можно будет уменьшить и использовать как в промышленности, так и в космосе.

ТОПЛИВО ДЛЯ ТЕРМОЯДА, БЕЗОПАСНОСТЬ И ПЕРСПЕКТИВЫ УПРАВЛЯЕМОГО СИНТЕЗА

У термоядерных реакторов мало общего с реакторами на атомных станциях. Если удержание плазмы прекратится, то она расширится и охладится, реакция остановится и не приведет к взрыву, хотя стенки термоядерного реактора разрушатся от взаимодействия с плазмой. В отличие от реакции деления, в процессе синтеза не образуются долгоживущие радиоактивные отходы. «Отходы» термоядерного синтеза — гелий и нейтроны, защиту от которых давно научились строить.

Управляемый синтез — это потенциально бесконечный источник энергии. Больше половины пути к его освоению пройдено, но до настоящего момента не удалось достичь баланса температуры, плотности и времени удержания плазмы на одном виде реакторов. Кроме того, неизвестно, окупится ли создание огромного реактора и сложной инфраструктуры на основе термоядерной энергетики. Все действующие сегодня установки убыточны. Технологиям на основе термоядерной энергетики еще предстоит пройти длинный путь, прежде чем их начнут использовать в промышленных масштабах.

Оригинал статьи и другие материалы читайте на сайте журнала Энергия+:
https://e-plus.media/

Когда будет коммерческий термояд? Почему температура в реакторе должна быть в 10-20 раз больше, чем на Солнце? Какие проблемы сейчас на проекте? Интервью с инженером и ученым Виталием Красильниковым, работающим в ITER более 10 лет.

Виталий родом из подмосковного Троицка. В данный момент находится во Франции под Марселем в непосредственной близости от главной стройки, где курирует разработку нескольких нейтронных диагностик.

# …если вы предпочитаете видео тексту – в конце поста есть ссылка на полную версию интервью на YouTube.

- В чем основная фишка термояда?

Во-первых, на входе у нас, по сути, безлимитное топливо. Топливом для той термоядерной реакции, о которой мы сегодня говорим, является дейтерий и тритий — изотопы водорода. Дейтерий доступен в мировом океане, его можно выделять из морской воды. Тритий в природе не встречается. У него короткое время полураспада. Но его можно производить из лития. Это деньго- и трудозатратно, но это тоже, можно сказать, бесконечное топливо.

Вторая особенность термояда – на выходе у нас нет ядерных продуктов реакции. То есть нет тех отходов, которые производит, например, атомная энергетика. На выходе термоядерной реакции – гелий.

- Почему до сих пор нет реактора, который давал бы полезную энергию?

Проблема в трудностях организации самого процесса реакции. Как сделать такую установку, которая в достаточном объеме произвела бы необходимое количество реакций и тем самым произвела бы необходимое количество энергии? Токамаки начинались с каких-то настольных приборов, переходили в комнатные, потом занимали половину здания. И сейчас мы строим токамак размером с семиэтажное здание. Размеры растут. Это важно.

Для того, чтобы пошла реакция, нам нужно некую субстанцию — назовем это газом, а на самом деле это плазменное образование — нагреть до очень высоких температур. При таких температурах никакие стенки не смогут выдержать. Поэтому нам нужно ее удерживать другими способами. Была создана конфигурация с удержанием плазмы магнитным полем.

Представьте какую-то полоску воды. Вы снизу дуете струйками воздуха и пытаетесь ее удержать. А гравитация эту воду пытается прижать к земле.

Это очень сложно сделать. Вода постоянно будет стараться искать где-то лазейку. Так и плазма. Потому что веществу неудобно, невыгодно находиться в каком-то энергетическом состоянии. Ему всегда хочется остыть, отдать свою энергию, успокоиться. А мы, наоборот, пытаемся удержать этот процесс, этот огонь, чтобы он горел и давал нам пользу.

Ну и просто из-за технических, физических в том числе, сложностей самого процесса.

- На Солнце идут те же самые термоядерные реакции — горит водород, синтезируется гелий — но нам нужно достичь температур в 10-20 раз больше, чем на Солнце. Почему?

Я могу ответить шуткой: солнце неэффективно, мы строим что-то более эффективное.

В этом есть доля правды. Зачем нам нагревать именно до той температуры, о которой говорится? На этих энергиях имеется пик сечения взаимодействия дейтерия и трития. При таких температурах наибольшая вероятность реакции этих двух изотопов. Если температура ниже, они летают мимо друг друга и не реагируют. Если температура выше, они слишком горячие, и тоже пролетают мимо. Так получилось в природе, что, если вещества имеют эту температуру, у них максимальное количество реакций происходит.

- Чем крут ITER кроме того, что это самый большой токамак?

Всем. Куда ни посмотри, в ITER практически все уникальное, все впервые в мире. Это огромная вакуумная камера. Мощнейшая система нагрева. Мощнейшая система охлаждения для магнитных систем. Это самый крупный в мире криогенный комплекс. Это со всех сторон уникальный проект: от организации процесса, от административной стороны, когда семь партнеров объединились и строят вместе. И сам проект так организован, что центральная команда находится здесь, а производство компонентов установки происходит в разных уголках планеты, вплоть до того, что похожие компоненты изготавливаются в разных странах, как, например, элементы вакуумной камеры — в Корее, в Европе и в России. Для чего это сделано? Для того, чтобы каждый партнер получил опыт строительства таких компонентов.

Если со стороны физики посмотреть, принципиальное отличие от предыдущих установок в том, что в ITER планируется осуществить контролируемое горение. Что подразумевается под этим термином? Горение — это когда ты в огонь положил дрова, и он сам горит, ему ничего не нужно. Так же и в плазме. Если ты создал ей какую-то конфигурацию, то она сама себя может поддерживать. Она сама производит достаточное количество энергии для того, чтобы поддерживать свою температуру на том же уровне и продолжать находиться в этом квазистационарном состоянии.

До этого все предыдущие токамаки, включая ныне действующие, выходили на мощность порядка единицы-полтора. Это коэффициент полученной мощности к затраченной, то есть, когда мы получаем энергии столько же либо чуть-чуть больше, чем затратили. И это уже горение, но оно происходило доли секунды или порядка нескольких секунд.

В ITER предполагается 500-секундный разряд с коэффициентом выхода 10. То есть мы получаем в 10 раз больше энергии, чем затрачено на нагрев плазмы.

- А как будет работать реактор? Это какие-то периоды-вспышки в несколько минут, когда плазма зажигается, потом затухает, потом все повторяется?

Именно так. Установка токамак, про которую мы сегодня говорим, тороидальная камера с магнитной катушкой — это принципиально импульсная установка. Импульс может быть очень долгим. 500 секунд, про которые мы говорили чуть ранее — это работа установки с высокой мощностью. Еще предполагаются режимы на 3 000 секунд с чуть более низкой мощностью. Но это в любом случае ограниченное время.

Почему? Потому что вихревое магнитное поле, которое создается в токамаке, создается путем наращивания тока через соленоид. У нас поле создается, когда изменяется ток. Мы, например, его увеличиваем — и поле закручивается. То есть не просто ток идет и поле появляется, а именно увеличивается.

Любую величину невозможно увеличивать бесконечно. Мы можем только от сих и до сих увеличивать. Если бы можно было поддерживать ток стабильным, то мы бы могли его поддерживать. Но поскольку это поле создается путем увеличения тока через соленоид, оно принципиально может создаваться ограниченное время.

- Каким образом будет сниматься энергия с токамака?

Существует несколько подходов. Первый — аналогичный с атомными станциями, когда мы банально греем воду. Реактор производит гелий и нейтроны. Нейтроны прекрасно взаимодействуют с водой. У них огромное сечение взаимодействия с водородом. Можно «обложить» реактор достаточным количеством воды. Она замедлит нейтроны и защитит от них, и сама нагреется. Дальше — турбина или всевозможные способы применения энергии воды.

Есть еще альтернативные способы. Поскольку у нас есть источник нейтронов, можно обложить установку ураном — это я очень условно говорю; не просто обложить, а ввести в уравнение уран — тогда нейтроны будут реагировать с ураном, производить атомную реакцию и у нас получится гибридный реактор, термоядерный и атомный в одном флаконе.

Можно еще — и это предполагается — иметь некие полости с литием и использовать эти же нейтроны для производства трития из лития.

- Возможно ли, что какие-то коммерческие термоядерные проекты будут разрабатываться параллельно с экспериментами на ITER?

Думаю, что очень вероятно. Азиатские страны, мы видим, очень в этом заинтересованы. Уже сейчас строятся системы крупного размера, которые будут отрабатывать разные особенности, например, выход на долгие разряды, поддержание высокой мощности на длительное время. Это принципиально важно для коммерческого реактора.

И я думаю, что параллельно с ITER будут и должны строиться машины, установки коммерческие или околокоммерческие, уже с положительным выходом.

- Не получится ли так, что они опередят ITER?

Да, и это будет здорово. Тут нет какой-то конкуренции. Она есть, конечно, психологическая: «мы первые — они первые». Но в целом мы делаем это для человечества. И, работая здесь, ты постоянно пересекаешься со всеми национальностями, с гражданами разных стран практически со всей планеты. Никто на себя одеяло не перетягивает. И, если кто-то начинает это делать, это выглядит глупо. Мы работаем вместе на благо человечества. Это очень ощущается.

Допустим, Китай или Корея построили свою машину, которая заработала также, как ITER. Отлично. Но вот Корея это сделала. А в России нет доступа туда. У Японии нет доступа. У США нет. У Европы, Франции, Германии нет туда доступа.

По крайней мере, ITER как бы общий, но в то же время он свой для каждого из партнеров. Каждый имеет доступ к полному объему информации и ноу-хау, ко всем чертежам, ко всем моделям и так далее. Каждый партнер имеет полное право взять это и при желании построить у себя. Это часть идеологии проекта.

- А как вообще в непосредственной близости друг от друга могут располагаться самая горячая точка в галактике в 100-150 млн градусов и самая холодная?

Специальные материалы, специальная теплоизоляция одного от другого. На расстоянии примерно шести метров действительно будет две точки: одна — самая горячая в галактике, вторая — самая холодная. Самая холодная — это 4 К (-269 0С). И самая горячая, надеемся — 100-150 млн градусов.

Для чего нужна холодная температура? Для проводника, из которого намотаны катушки, создающие магнитное поле. Эти катушки переходят в режим сверхпроводимости. В них уменьшаются потери. Поэтому мы можем гонять по ним огромный ток без потерь.

Катушка диаметром примерно 3-5 см упаковывается в пакет теплозащиты. Потом еще теплозащита. В итоге получается кубик примерно 1,5 метра – из проводника и теплозащиты.

- Хочу спросить про людей. У вас же интернациональная команда, но, наверное, большинство французы?

Французов в проекте много, четверть или треть. Какой-то статистики нет. Может, она есть, но я не знаю. А остальных примерно по 7-10%: Россия, США, Индия, Япония, Корея, Китай. Европа вкладывает 40%. Имеется в виду и финансовый вклад, и натуральный вклад, в том числе люди. Из Европы — большинство. Наиболее представлены французы, испанцы, немцы, Северная Европа, Польша, Румыния.

Все общаются, работают.

- Насколько хорошо финансируется проект? Каковы зарплаты в сравнении с другими институтами или проектами? И какова разница со среднеевропейской зарплатой? Это хорошо оплачиваемая работа?

Да, скорее, хорошо оплачиваемая. Естественно, есть градация от начального уровня работников до дирекции. Это все открытая информация, она есть на сайте проекта. Разница в зарплатах в два или в три раза.

Наверное, для России нормально, когда в 100 раз у директора выше зарплата, чем у уборщицы. Но здесь — нет. У директора в четыре раза выше зарплата, чем у уборщицы. Или в три. Примерно так.

Однако надо понимать, что и расходы высокие: цена аренды жилья, цена топлива – машину заправить, цена еды — цена всего примерно в 1,5-2 раза выше. Просто сходить в продуктовый магазин здесь дороже.

Второй момент, что ты в отрыве от своей страны. И это накладывает некоторые ограничения. Например, нужно решать какие-то жилищно-коммунальные вопросы. Кран потек. И если где-то в Троицке я знал, где дядю Васю позвать, и за условные 200 рублей он кран бы починил, то здесь ты обращаешься к каким-то официальным фирмам, которые всегда дороже. Помните, в советское время было, что «цена для иностранца другая». Может быть, в Париже, где много иностранцев, это нормально, а здесь в деревне иностранцу жить дороже.

И еще французская налоговая система и социальная система очень нацелены на поддержку и уравнивание. Если у тебя низкая зарплата — меньше 2 000 евро чистого дохода в месяц, например 1 500 или 1 000 — то тебе государство очень сильно поможет со всеми расходами, начиная от билетов на еду, на продукты, заканчивая тем, что если у тебя дети, то школа будет либо дешевле, либо бесплатно, всякие субсидии на ЖКХ.

Для нас этого всего нет. У нас высокая зарплата и высокие расходы.

- Ты сам веришь, что мы когда-нибудь увидим коммерческий термояд?

У меня нет сомнений, что термояд когда-либо будет. Вернее, у меня нет сомнений, что термояд осуществим в коммерческих масштабах. В форме токамака или в какой-то другой форме, в форме стелларатора или в какой-то конфигурация пинча, или что-то еще, или вообще открытые ловушки. Так или иначе человечество рано или поздно найдет способ коммерчески эффективно эту энергию приручить. Если только захочет.

- Как ты думаешь, в каком примерно году появятся коммерческие реакторы?

Я стараюсь об этом не думать. Если серьезно, то, наверное, где-то в районе 2050-2060 года. С тем темпом, который сейчас идет. Мы старались политику не обсуждать. Но темпы в разные годы разные. И иногда кажется, что все идет к ускорению, иногда кажется, что все пойдет к замедлению

Но если продолжится какая-то похожая тенденция, то прицел на 2050-2060-е годы.

Я думаю, что темп через 10-20 лет изменится. В районе 2030-го мы можем увидеть, что темп увеличится и, возможно, к 2040-ому увидим коммерческие станции. По крайне мере, после 2030-х, когда ITER, я надеюсь, будет работать в полную термоядерную мощность, будет уверенность, что эта технология работает. И тогда многие государства заинтересуются в применении этой технологии у себя.

P.S. полная версия этого интервью выложена на моем канале на YouTube.

В нем есть простое и краткое объяснение сути термоядерного синтеза, откуда берется энергия и как устроен ИТЭРовский токамак.

Tech_debunker

Что такое термоядерная энергия, термоядерная реакция. Какие у неё плюсы/минусы. Какие есть успехи в деле освоения термоядерной энергией и как скоро мы сможем ей воспользоваться.

Оригинальный ролик:

https://youtu.be/AFoqBWMbP_Y