В Институте ядерной физики СО РАН создают установку для термоядерной энергетики

Почему перспективы есть только у термоядерной энергетики, когда на Земле появятся первые «реакторы будущего» и как учёные из Новосибирска приближают наступление этого дня?

Сегодня в мире ведется много исследований, призванных ответить на вопрос, откуда человечество будет получать энергию после того, как закончатся запасы нефти и газа. Угольные ТЭЦ загрязняют атмосферу и ухудшают экологию, ГЭС и так стоят уже практически на всех крупных реках, АЭС после аварий население считает опасными, а солнечная и ветровая энергия не может обеспечить промышленных объемов. Поэтому единственным перспективным вариантом энергетических станций будущего остаются термоядерные реакторы. И Институт ядерной физики сегодня активно приближает время воплощения термоядерной энергетики из научной идеи в реальную жизнь.

Начну с истории этого процесса. Академик Будкер (основатель и первый директор ИЯФ) еще в 50-х годах прошлого века придумал магнитную ловушку для удержания высокотемпературной плазмы. Ловушка состояла из двух магнитных катушек, которые формировали между собой «магнитную яму», где частицы плазмы могли при выполнении определенных условий удерживаться бесконечно долго. Однако в термоядерных устройствах главным является количество столкновений частиц, приводящих к термоядерным реакциям. Столкновения приводят к разлету частиц, они начинают покидать ловушку. Поэтому дальнейшие разработки этой темы были связаны с поиском способов замедлить разлет частиц. Один из способов улучшить удержание частиц — многопробочная ловушка, предложенная Будкером и его учениками.

Эта идея была проверена в ИЯФ на установке «Щегол», которая работала с холодной плазмой. Затем была построена установка ГОЛ-1, сейчас в институте работает ГОЛ-3 (аналогов которой в мире сегодня нет), а через несколько лет будет закончено строительство установки следующего поколения, которая предварительно названа ГДМЛ.

Для того чтобы запустить термоядерную реакцию, плазму необходимо нагреть. В ГОЛ-3 это делается мощными электронными пучками. В ходе этого процесса температура ионов достигает 2 килоэлектронвольт — это более 23 миллионов градусов, что примерно соответствует температуре в центре Солнца. И сейчас мы ведем эксперименты по увеличению основных термоядерных параметров — плотности, температуры, времени удержания и т.д.

Изначально аналогичные разработки шли не только в СССР, но и в США и Европе, однако затем в мире решили развивать конкурентную технологию так называемых токамаков. Это — тороидальная структура, внутри которой в магнитном поле удерживается плазма. Она нагревается до высоких температур (выше 100 миллионов градусов), после чего начинаются термоядерные реакции. Однако у токамаков есть серьезные недостатки. Так, пока разработчики токамаков не могут увеличивать плотность плазмы — она становится нестабильной и выскакивает на стенки, а в мире пока не существует материалов, способных выдержать мощные потоки нагретой плазмы. Единственный выход — это увеличение размеров токамака, но это резко увеличивает стоимость и сроки строительства. Например, во Франции сейчас реализуется международный проект по строительству токамака нового поколения ИТЭР — его запуск планируется на 2020 год, но сроки все время сдвигаются, а стоимость уже достигла 15 миллиардов евро.

Открытые ловушки, которые используем для исследований мы, имеют очевидные преимущества. В них есть открытые концы, через которые плазма может покидать ловушку, и современные материалы способны выдержать потоки плазмы, которые возникают в таких устройствах. То есть открытые ловушки, по сравнению с токамаками, отражает инженерная простота и небольшие затраты на строительство.

В чем главная задача наших исследований? Создать термоядерный реактор, который производил бы коммерчески доступное тепло и электричество — и дешевле, чем токамаки. Однако решение этой задачи — дело не ближайших лет. Если испытания ГДМЛ через лет 5 пройдут успешно, еще не менее 10 лет уйдет на строительство установки следующего поколения. Нужно будет создать демонстрационный реактор, который должен продемонстрировать, что может быть использован для получения тепла и электричества. При этом его эффективность должна быть не менее 2000% (для сравнения: КПД установки ГДМЛ будет достигать лишь нескольких процентов).

Лишь после этого начнется строительство коммерческих реакторов. Так что если никаких прорывных открытий в процессе исследований сделано не будет, то в лучшем случае от сегодняшних экспериментов до реальной работы коммерческих термоядерных реакторов пройдет более 30 лет.

Тем не менее, сегодня уже можно представить, как будут выглядеть первые термоядерные станции. Сырьем для них сможет стать обыкновенная вода: в каждой 5500-ой ее молекуле содержится дейтерий (стабильный изотоп водорода), который легко извлекается и хранится в газообразном виде. Плазма может представлять собой либо дейтерий-тритиевую, либо дейтерий-дейтериевую смесь. Первые реакторы будут использовать тритий, поскольку для этой смеси требуется меньшая температура горения (около 100 миллионов градусов). Правда, проблема в том, что естественных запасов радиоактивного трития на Земле нет, однако у стран, имеющих ядерные реакторы и технологии переработки ядерных отходов, некоторое количество трития имеется. А дальше термоядерные станции смогут нарабатывать для себя тритий сами — из очень распространенного на Земле лития путем облучения потоком нейтронов. Кстати, еще одно преимущество открытых ловушек перед токамаками: в них в будущем ничего не мешает работать с дейтерий-дейтериевыми реакциями, которые в замкнутых системах считаются бесперспективными, так как требуют более высокой температуры плазмы.

Вообще же, мечта физиков-термоядерщиков — это безнейтронная реакция, в которой все продукты имеют заряд и потому не покидают реактор, а удерживаются в нем. В этом случае реактор становится слаборадиоактивным. Например, для такой реакции подошли бы протон и бор-11, однако потребуется создать температуру более миллиарда градусов, что пока недостижимо. Либо использовать более низкотемпературную реакцию дейтерия и гелия-3, но и у этой реакции есть недостаток — гелий-3 почти отсутствует на Земле, но зато его можно добывать на Луне.

Один из главных вопросов, который может возникнуть к термоядерным реакторам — это уровень безопасности. Но по сравнению с АЭС они гораздо менее опасны. Во-первых, используется очень малое количество трития (токамак ИТЭР во Франции будет использовать не более 500 граммов), а дейтерий нерадиоактивен. Даже в случае захвата станции условными террористами они получат в распоряжение лишь микроскопическое количество радиоактивного вещества, которое к тому же при хранении распадается (у трития период полураспада 12 лет). Взорвать термоядерный реактор путем повышения температуры в реакторе тоже невозможно, так как контакт термоядерной плазмы со стенкой камеры или воздухом мгновенно приводит к охлаждению плазмы и остановке реакций. Да и радиация, которая сопровождает текущую работу термоядерной станции, будет ограничиваться одним залом, который смогут обслуживать роботы. Таким образом, в случае любой нештатной ситуации на термоядерном реакторе, выброс значительного количества радиоактивных веществ невозможен.
Андрей Шошин, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник ИЯФ СО РАН, старший преподаватель НГУ

Кстати, а вы знали, что на «Сделано у нас» статьи публикуют посетители, такие же как и вы? И никакой премодерации, согласований и разрешений! Любой может добавить новость. А лучшие попадут в телеграмм @sdelanounas_ru. Подробнее о том как работает наш сайт здесь👈