Все новости
Год полезных дел
20 Января , 11:38

№1.2024. Владимир Чакин. Термояд – энергетика будущего

Вид в разрезе первого международного термоядерного реактора ITER
Вид в разрезе первого международного термоядерного реактора ITER

Мы смотрим в ночное небо и видим мириады светящихся точек. Всем известно, что это звёзды. Они пылают во всю мощь и пытаются согреть своим светом бездонные пространства окружающего мрака, пустоты, вакуума, находящегося при температуре абсолютного нуля в Кельвинах или -273 градуса по Цельсию. И если вдруг поблизости от звезды имеется планета с параметрами, близкими планете Земля, то живительные звездные лучи согреют и её. А дальше вступают в силу законы физики и эволюции, во многом ещё не ясные до конца, но тем не менее наукой признанные: сначала вследствие гравитационного притяжения происходит образование элементов с большой атомной массой, затем на планете с подходящей атмосферой – образование сложных органических молекул (например, в горячей соленой воде поблизости от подводных вулканов), затем образуются простейшие одноклеточные организмы, потом организмы усложняются и эволюционируют к возникновению разумной жизни. То есть тепло от звёзд – это начало всех начал в мире. Нет звёзд, нет жизни.

Но сейчас не об этом. Поговорим о природе звёзд, откуда в них столько энергии и как человек пытается воспользоваться этим примером и создать на Земле условия, некое техническое приспособление, прибор, аппарат, чтобы использовать внутризвёздные механизмы выделения энергии для искусственного их воспроизводства в нуждах человечества. А нужды просты – это энергетика будущего, экологически чистая, не загрязняющая атмосферу выбросами, приближающими и ускоряющими глобальное потепление.

Все мы помним со школы таблицу Менделеева и тот факт, что самый легкий элемент – это водород. Так вот, водород является самым распространенным элементом в нашей Вселенной, что вполне логично, поскольку устройство атома водорода самое что ни на есть простейшее. Он состоит из двух элементарных частиц с противоположным знаком: протона с положительным зарядом (ядро) и электрона с отрицательным, вращающегося вокруг ядра по орбите. Согласно квантовой механике устройство атомов гораздо сложнее, но для целей настоящей статьи предложенного упрощения достаточно. Но, оказывается, существуют другие изотопы водорода, кроме протия с атомной массой 1, это еще дейтерий и тритий, имеющие атомные массы 2 и 3 соответственно. Протий и дейтерий – стабильные изотопы, а тритий – бета-радиоактивен, то есть распадается со временем на гелий-3 с периодом полураспада 12,3 года и бета-частицу. Так вот фантастически постаралась природа, что при слиянии атомов дейтерия и трития не просто образуется атом гелия-4, а выделяется ещё и колоссальная энергия, так называемая термоядерная. Но, чтобы эти атомы слились, нужно преодолеть так называемый кулоновский барьер отталкивания между ними, а это возможно лишь при достижении очень высокой температуры. На Солнце температура, при которой идёт термоядерная реакция, составляет примерно 10 млн градусов Цельсия. Однако выяснилось, что на Солнце ещё и действуют мощные силы гравитации, способствующие росту температуры, которые значительно ниже на Земле. Поэтому, чтобы зажечь плазму в земных условиях и для успешного течения термоядерной реакции, необходима ещё более высокая температура – порядка 100 млн градусов. В звёздах термоядерные реакции идут свободно до полного выгорания звёздных запасов дейтерия и трития, и звезда удерживается в своих размерах мощным природным магнитным полем. Человек же, в очередной раз воспользовавшись подсказкой природы, предложил схему токамак (тороидальная камера с магнитными катушками), в которой зажжённая искусственная плазма удерживается, контролируется и управляется магнитным полем при помощи магнитных ловушек, запертая в тороидальную камеру (в форме бублика) так, чтобы плазма не касалась стенок. Для создания таких мощных магнитных полей в ограниченных объёмах пришлось использовать сверхпроводники, что, конечно, усложняет конструкцию термоядерного реактора, увеличивает стоимость, но здесь человечество, как говорится, закусило удила. Но обо всём по порядку. Сейчас немного истории.

Подобные чудовищные температуры плазмы не выдержит ни один из известных человечеству материалов. Любой самый жаропрочный материал попросту мгновенно испарится. Что же делать? И вот в 50–60-е годы советские ученые О. А. Лаврентьев, А. Д. Сахаров, И. Е. Тамм и другие предложили и реализовали на практике схему удержания плазмы в замкнутом контуре с помощью электрического тока, это и был токамак. Первые токамаки были построены и испытаны в СССР, и лишь позднее, в конце 60-х, остальной мир подключился к этой научной проблематике. В дальнейшем международное сообщество объединилось и совместными усилиями развивало это научно-технологическое направление, принципиально важное для обеспечения растущих энергетических потребностей человечества.

Теперь опустим последние пятьдесят лет истории развития термоядерного реактора и перенесёмся в сегодняшний день. Что мы имеем сегодня, чего достигли, какие проблемы обозначились более ясно? И, наконец, краеугольный вопрос: когда будет построен первый в истории человечества термоядерный реактор?

В сентябре-октябре 2023 года прошло несколько международных конференций, посвящённых различным аспектам тематики термоядерной энергии будущего. Автор по роду службы участвовал в этих конференциях и вынес, собственно, следующее.

Схема термоядерной реакции синтеза атомов дейтерия и трития
Схема термоядерной реакции синтеза атомов дейтерия и трития

За прошедшие десятилетия человечество достигло значительного прогресса в развитии термоядерной тематики. Построены и успешно эксплуатируются несколько токамаков в различных странах. Наиболее мощным и продвинутым в научно-технологическом плане из них является на сегодняшний день JET (Joint European Torus – Объединённый европейский токамак), расположенный в Калхэмском центре термоядерной энергии в Великобритании. Он был введён в эксплуатацию в 1984 году, постоянно модернизировался, повышалась его мощность. В 2022 году в ходе реакции синтеза, длившейся около пяти секунд, удалось произвести 59 МДж энергии, при этом достигнута мощность 11 МВт. Из этого следует, что до производства энергии большей по величине, чем затрачено на эксперимент, ещё очень и очень далеко.

Как видите, результаты довольно скромные, но это как посмотреть. Склоняюсь к мысли, что в начале пути попросту не были правильно оценены предстоящие сложности и трудности реализации плана создания термоядерного реактора. Чересчур оптимистично человечество смотрело на свои возможности в развитии соответствующей технологии, не понимая до конца грандиозной сложности задач, стоявших перед ним. Человечество двигалось вперёд шаг за шагом, вкладывая огромные средства в развитие мирного термояда, но на каждом шагу возникали новые и новые нюансы, которые необходимо было учитывать, чтобы продвигаться далее.

Сегодня флагманом энергетики будущего является строящийся первый в мире термоядерный реактор ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor – Международный экспериментальный термоядерный реактор). В 1992 году было подписано межправительственное соглашение между ЕС, Россией, США и Японией о разработке инженерного проекта ITER. В 2005 году было выбрано место для строительства близ селения Кадараш во Франции. В 2010 году началось строительство реактора и в 2020-м – сборка ITER из изготовленных компонентов. Сроки сдачи реактора в эксплуатацию несколько раз переносились: сначала 2016-й, потом 2019-й, затем 2025-й, а сегодня практически всем стало ясно, что ранее 2033–2035 гг. физический пуск ITER не может состояться. Но окончательного решения о переносе пуска на более поздний срок ещё не принято, при этом называется ноябрь 2023-го как дата принятия международным сообществом решения о переносе пуска ITER. При всём при том за прошедшее десятилетие постоянно возрастала стоимость реализации проекта – с 5 млрд евро в начале строительства в 2010-м до 19 млрд евро в 2019-м.

Теперь взглянем правде в глаза: что такое ITER? Конечно, это огромный шаг вперёд по сравнению с работающим токамаком JET, но от него до полномасштабного энергетического термоядерного реактора FPP (Fusion Power Plant) ещё плясать и плясать, поскольку мощности не сопоставимы и гораздо выше требования к оборудованию и материалам в промышленном термоядерном реакторе. Простое масштабирование здесь не проходит: условно говоря, с каждым киловаттом мощности реактора качественно возрастают технические требования к конструкции и материалам. Поэтому параллельно с постройкой первого термоядерного реактора ITER одновременно идёт разработка ещё одного реактора, занимающего как бы промежуточное положение между ITER и FPP. Это термоядерный реактор DEMO (DEMOnstration Power Plant – Демонстрационный термоядерный реактор). В 2012 году были установлены сроки разработки и постройки DEMO: концептуальное проектирование – до 2020-го, принятие решения о строительстве – 2030-го, строительство – с 2031-го по 2043-й, пуск – в 2044-м, первая генерация электроэнергии – 2048–2050 гг. Но что-то мне подсказывает, что эти сроки весьма далеки от реальности. Пуск первого термоядерного реактора ITER сильно задерживается, соответственно, задержится и пуск DEMO, поскольку на первом реакторе ITER предполагается экспериментальная проверка отдельных элементов DEMO, то есть сроки ввода в эксплуатацию обоих термоядерных реакторов строго связаны между собой, поэтому скачка через голову никак не получится. Так что по срокам пуска DEMO за 2050 год реально перевалим – и хорошо перевалим, это сегодня стало очевидным для тех, кто задействован в термоядерной проблематике.

Итак, что человечество реально имеет после 70 лет развития мирного термояда? Многого люди добились на этом пути, но чем больше открывается новых знаний, тем больше появляется белых пятен. Подобная типичная эволюция научных знаний здесь прослеживается наглядно – и как раз на примере движения человечества к термоядерному реактору будущего.

Давайте взглянем на материалы, из которых предполагается строить термоядерный реактор. Выше я писал, что магнитное поле удерживает плазму в заданном объёме и в целом успешно предотвращает прямой контакт ионизованного газа с чудовищной температурой с материалами. Однако не всё так просто. Предполагается, что будут происходить и довольно часто так называемые срывы плазмы, когда она со всей мощью обрушивается на первую стенку, специальный барьер на пути к корпусу реактора. На сегодняшний день только один металл, вольфрам, способен хоть как-то противостоять удару плазмы. Однако и тут ещё много проблем, связанных с блистерингом (поверхностным шелушением металла под воздействием потоков плазмы) и другими негативными эффектами воздействия плазмы на вольфрам.

Но поиск материалов для первой стенки ещё полбеды, ведь есть ещё нейтроны, которые образуются в результате термоядерной реакции. И не просто нейтроны, а мощный поток нейтронов с очень высокой энергией 14 МэВ. Нейтронам из существующих ядерных реакторов далеко до термоядерных нейтронов, они гораздо менее энергичные, но ничего лучше сегодня нет, чтобы предварительно испытать в нейтронном поле материалы для будущего термоядерного реактора, испытав их в специальном исследовательском ядерном реакторе. Если в ядерном реакторе материал выдержит воздействие облучения, то появляется шанс, что и в термоядерном устоит. Проблема в том, что нейтроны – нейтральные частицы, поэтому легко проникают сквозь материалы на большую глубину, вызывая повреждение весьма далеко от источника нейтронов, то есть плазмы. Например, термоядерные нейтроны непринуждённо достигают корпуса вакуумной камеры, которая находится в нескольких метрах от плазмы. Эта камера изготавливается из специальной стали, а под воздействием мощного потока термоядерных нейтронов становится хрупкой, как стекло, и может легко посыпаться от малейшего внешнего воздействия. Я немного утрирую, но специалисты понимают, о чём идёт речь, и нет здесь ни слова, искажающего реальность.

Давайте теперь вернёмся более предметно к итогам международных конференций этого года, упомянутых выше. В сентябре в Лас-Пальмасе (Испания) состоялся ISFNT-15 (International Symposium on Nuclear Fusion Technology – Международной симпозиум по термоядерной технологии № 15). На нём рассматривался широкий круг вопросов термоядерной технологии именно в концептуальном плане. Констатирована задержка пуска первого термоядерного реактора ITER, предложены новые конструкции термоядерного реактора второго поколения DEMO. И широко дебатировалась идея привлечения в дальнейшую работу по термояду инвестиций частных компаний и корпораций, поскольку бюджета госфинансирования со стороны международного сообщества, по-видимому, явно недостаточно. Далее, в середине октября в Лондоне состоялась 29th IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2023) – 29-я Международная конференция по термоядерной энергии под эгидой МАГАТЭ (Международное агентство по атомной энергетике). Это широкий форум, который привлёк более тысячи специалистов со всего мира, которые представляли самые разные аспекты исследований в области термоядерной энергии будущего. Основной итог этого престижного форума заключается в том, что человечество, несмотря на выявленные проблемы, продолжает работы в данном направлении, при этом достигнуты существенные продвижения во всех релевантных научных областях.

Наиболее интересной для нас, материаловедов, была, конечно, ICFRM-21 (International Conference on Fusion Reactor Materials – Международная конференция по материалам термоядерных реакторов № 21), состоявшаяся в конце октября в Гранаде (Испания). Рассмотрены все возможные и невозможные материалы, которые потенциально могут быть использованы в компонентах термоядерного реактора, то есть в чрезвычайно агрессивных условиях эксплуатации. Если говорить в общем плане, то такой перспективный материал помещается на какое-то время в условия, близкие к рабочим условиям термояда, затем извлекается оттуда и всесторонне исследуется по ряду параметров. Затем по итогам исследований делается вывод о возможности использования этого материала в термоядерном реакторе. А таких видов материалов разных компонентов реактора будущего десятки и сотни – и методов исследований не меньше! Так что можно себе представить объём представляемой информации на подобных научных форумах, которые, как правило, проходят по миру раз в два года.

Таким образом, по итогам прошедших конференций можно сделать однозначный вывод, что человечество решительно и бесповоротно движется вперёд в области мирного термояда, сворачивать работы не собирается, но трудностей и проблем на этом пути ещё непочатый край. Понятно, что потенциально термоядерная энергия – это энергия будущего человечества. По моему мнению, через век, не раньше, термоядерные реакторы будут широко использоваться во всех уголках планеты Земля. Ведь термоядерная энергия – это природная энергия, фактически это аналог солнечной энергии, для которой не нужны полезные ископаемые, такие как нефть, газ или уран. Сравнительно легкодоступные изотопы водорода дейтерий и тритий – это безграничный источник топлива для термояда. С точки зрения безопасности термоядерная намного более чистая и безопасная по сравнению с ядерной энергетикой, хотя современные ядерные реакторы своего последнего слова ещё явно не сказали. После катастрофических аварий в Чернобыле и Фукусиме человечество сделало правильные выводы и вложило значительные средства в обеспечение безопасной эксплуатации энергетических ядерных реакторов. Но тем не менее нет сомнений, что термоядерный реактор, в конце концов, придёт на смену ядерному, пусть и максимально безопасному. Это вытекает из всей логики развития науки и промышленной энергетики человечества.

Владимир Павлович Чакин родился в Ишимбае 5 ноября 1957 года. Окончил ишимбайскую среднюю школу № 10. В 1981 году окончил МИФИ по специальности «Физика металлов и металловедение», доктор физико-математических наук, эксперт в области радиационного материаловедения, в настоящее время работает в международной команде по разработке и исследованиям перспективных материалов термоядерной энергетики будущего в Институте технологии Карлсруэ (Германия), участник многих международных конференций по мирному термояду, автор шестидесяти статей в реферируемых научных журналах.
Читайте нас в