Почему ядерный синтез больше не является несбыточной мечтой?

Термоядерный синтез — объединение атомных ядер для высвобождения энергии — это чистый и безопасный способ обеспечить энергией дома и промышленность. Этот «Святой Грааль» энергии ускользал от физиков на протяжении десятилетий, но теперь есть признаки того, что светлое будущее может быть на горизонте.

Это похоже на мечту: практически безграничный источник энергии, не производящий парниковых газов или радиоактивных отходов. Это обещание ядерного синтеза, который на протяжении десятилетий был не более чем фантазией из-за непреодолимых технических проблем.

Сегодняшние атомные электростанции вырабатывают электричество посредством ядерного деления, при котором атомы расщепляются. Однако ядерный синтез означает объединение атомных ядер для высвобождения энергии. Такая же реакция происходит в ядре Солнца. Но преодолеть естественное отталкивание между атомными ядрами и поддерживать правильные условия для синтеза не так просто, а вернее очень сложно. И делать это таким образом, чтобы производить больше энергии, чем потребляет реакция, на протяжении десятилетий было вне досягаемости лучших умов физики.

Но, возможно, ждать осталось недолго. За последние несколько лет ученым удалось преодолеть некоторые серьезные технические проблемы, и правительства всего мира вкладывают деньги в исследования в области термоядерной энергии. Кроме того, уже более 20 частных предприятий борются за то, чтобы первыми сделать производство термоядерной энергии реальностью.

«Люди говорят: «Если это действительно окончательное решение, давайте выясним, работает оно или нет», — сказал Тим Люс , руководитель отдела науки и эксплуатации Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР), строящегося на юго-востоке Франции. ITER — это самый крупный проект для термоядерного синтеза.

Стоимость его строительства в размере 22 млрд долларов покрывается правительствами двух третей населения мира, включая ЕС, США, Китай и Россию, и когда он будет запущен в 2025 году, он станет крупнейшим в мире термоядерным реактором. Если все сработает как должно, ИТЭР превратит термоядерную энергию из предмета мечты в жизнеспособный источник энергии.

Строительство термоядерного реактора

ИТЭР будет реактором-токамаком, который считается лучшей надеждой на термоядерную энергию. Внутри токамака газ, часто изотоп водорода, называемый дейтерий, подвергается воздействию высокой температуры и давления, вытесняя электроны из атомов. Это создает плазму — перегретый ионизированный газ, который должен сдерживаться интенсивными магнитными полями.

Сдерживание жизненно важно, поскольку ни один материал на Земле не может выдержать температуру в сто миллионов градусов и выше, которой должна достичь плазма, чтобы мог начаться синтез. Это почти в 10 раз больше температуры в ядре Солнца, и такие температуры необходимы для токамака, потому что гравитационное давление внутри Солнца не может быть воссоздано.

Когда атомные ядра действительно начинают сливаться, высвобождается огромное количество энергии. В то время как экспериментальные реакторы, которые в настоящее время работают, выделяют эту энергию в виде тепла, в электростанции с термоядерным реактором тепло будет использоваться для производства пара, который будет приводить в действие турбины для выработки электроэнергии.

Токамаки — не единственные испытываемые термоядерные реакторы. В реакторах другого типа используются лазеры для нагрева и сжатия водородного топлива для инициирования термоядерного синтеза. В августе 2021 года одно такое устройство в Национальном центре зажигания в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в Калифорнии произвело 1,35 мегаджоулей энергии. Этот рекордный показатель приближает термоядерную мощность к чистому приросту энергии, но большинство надежд по-прежнему возлагается на реакторы токамаки, а не на лазеры.

В июне 2021 года, Экспериментальный Расширенный сверхпроводящий токамак (ИСТ)  Китая поддерживают плазму в течении 101 секунд при температуре 120,000,000 ° C . До этого рекорд был 20 секунд. В конечном итоге термоядерный реактор должен поддерживать плазму неограниченное время — или, по крайней мере, в течение восьмичасовых «импульсов» в периоды пикового спроса на электроэнергию.

Настоящим революционным фактором для токамаков стали магниты, используемые для создания магнитного поля. «Мы знаем, как делать магниты, которые генерируют очень сильное магнитное поле из меди или других металлов, но за электричество нужно заплатить целое состояние. Это не будет чистой прибылью», — говорит Тим Люс.

Решением является использование высокотемпературных сверхпроводящих магнитов из сверхпроводящего провода или «ленты», не имеющего электрического сопротивления. Эти магниты могут создавать сильные магнитные поля и не терять энергию в виде тепла.

О высокотемпературной сверхпроводимости известно уже 35 лет. Но только недавно были разработаны производственные возможности для изготовления ленты такой длины, которая потребовалась бы для изготовления подходящей катушки для плавления. Один из магнитов ИТЭР, центральный соленоид, будет создавать поле в 13 тесла — в 280 000 раз больше магнитного поля Земли.

Внутренние стенки вакуумной камеры ИТЭР, где будет происходить термоядерный синтез, будут облицованы бериллием — металлом, который не сильно загрязнит плазму при соприкосновении. Внизу находится дивертор, который будет держать температуру внутри реактора под контролем.

«Тепловая нагрузка на дивертор может быть такой же большой, как у сопла ракеты», — говорит Тим Люс. «Ракетные сопла работают, потому что вы можете выйти на орбиту за считанные минуты, а в космосе очень холодно». В термоядерном реакторе дивертор должен выдерживать это тепло бесконечно долго, и в ИТЭР они будут испытывать один, сделанный из вольфрама.

Между тем, в США осенью 2022 года будет запущен термоядерный реактор NSTX-U. Одним из его приоритетов будет проверка того, помогает ли футеровка реактора литием поддерживать стабильность плазмы.

Выбор топлива

Вместо того, чтобы просто использовать дейтерий в качестве термоядерного топлива, ITER будет использовать дейтерий, смешанный с тритием, другим изотопом водорода. Смесь дейтерия и трития дает наилучшие шансы получить значительно больше энергии, чем вложено.

Сторонники термоядерной энергии говорят, что одна из причин, по которой эта технология безопасна, заключается в том, что топливо необходимо постоянно подавать в реактор, чтобы поддерживать термоядерный синтез.

Дейтерий можно извлечь из морской воды, поэтому его запасы практически безграничны. Но считается, что во всем мире существует только 20 кг трития, поэтому его придется производить на термоядерных электростанциях (ИТЭР будет разрабатывать технологию для «размножения» трития). Хотя некоторые радиоактивные отходы будут производиться на термоядерном заводе, их срок составит около 100 лет, а не тысячи лет после деления.

«Если ИТЭР окажется успешным, он устранит большую часть, если не все, сомнения относительно науки и высвободит деньги для развития технологий», — говорит Тим Люс. Эта технология будет представлять собой демонстрационную термоядерную электростанцию, которая фактически производит электричество.