Термоядерный реактор будущего - нефть больше не нужна? [ Редагувати ]

Об атомной энергетике вспоминают, когда цена на нефть переходит границу в 30 долларов за баррель. Так было в 1970-х годах, во время предыдущего всплеска интереса к ядерной энергии. Это происходит и сейчас. По прогнозам Американского института нефти (American Petroleum Institute), 95% доступных источников нефти в мире будут исчерпаны в ближайшие 56 лет, оставшиеся 5% иссякнут через 88 лет. Таким образом, человечеству дано максимум 30-50 лет, чтобы найти замену традиционной нефти.

Такой альтернативный источник, в принципе, есть. Это - термоядерная энергетика, идея которой проста, как и все гениальное - соединить ядра двух изотопов водорода, дейтерия и трития, причем так, чтобы зажглась самоподдерживающаяся реакция, и качать из этой реакции энергию, для которой не нужен "раритетный" уран. Такая энергия, во-первых, в принципе не может привести к Чернобылю, то есть безопасна (в возможных аварийных ситуациях радиоактивный фон вблизи термоядерной электростанции не превысит природных показателей); во-вторых, практически неисчерпаема, потому что водород - самое распространенное вещество во Вселенной; а вдобавок ко всему, еще и экономична - на единицу веса термоядерного топлива получается примерно в 10 миллионов раз больше энергии, чем при сгорании органического топлива, и примерно в 100 раз больше, чем при расщеплении ядер урана.

Большие надежды на протяжении последних пятидесяти лет возлагают на токамаки (ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками), предложенные выдающимися советскими физиками Андреем Сахаровым и Игорем Таммом. "Тороидальный" означает бубликообразный. В гигантском бублике, образованном не стальными или титановыми плитами, а электромагнитным полем, ибо только оно способно было удержать миллионноградусную плазму, происходил синтез ядер водорода, вернее, его более тяжелых изотопов - дейтерия и трития, при котором выделялось большое количество энергии.

Добывать дейтерий значительно проще и дешевле, чем производить урановое топливо. Для наглядности скажем: мы буквально купаемся в океане энергии (в объеме 1 км3 морской воды содержится столько дейтерия, что если его преобразовать в гелий - энергетический выход сравнится с энергией, полученной от сгорания всех известных мировых запасов нефти).

Однако процесс слияния дейтронов нужно сперва "запустить", а затем уж поддерживать "горение" в устойчивом состоянии, как на обычной газовой плите. В обоих случаях мы имеем (или должны иметь) управляемую самоподдерживающуюся цепную реакцию. А для этого (в термоядерном варианте) дейтерий сначала нужно разогреть до температуры в несколько миллионов градусов, чтобы преодолеть силы электрического отталкивания положительно заряженных атомных ядер (так называемый кулоновский барьер). Кухонный аналог - воспламенение газа горящей спичкой.

При внутризвездных температурах обычное вещество превращается в плазму - сильно ионизированный газ. Отсюда, кстати, и приставка "термо" в названии реакции. Термояд - это "горячее" слияние двух легких ядер в одно потяжелее. Для устойчивого горения требуется поддерживать плазму в объеме реактора при помощи магнитных ловушек тороидальной формы, тогда получится непрерывное горение.

Можно жечь водородное топливо и малыми порциями - взрывоподобно, каждый раз при этом используя "спичку". Получать таким образом энергию из воды - это и есть полувековая мечта физиков. Когда же наконец все научные проблемы были разрешены, стало окончательно ясно, что ни одной стране, даже такой богатой, как США, термоядерную электростанцию не построить. Уж слишком недовольны налогоплательщики таким "марнотратством" государственного бюджета. Сегодня на исследовательские работы по термоядерному синтезу только США затратили уже около 15 миллиардов долларов и продолжают ежегодно выделять порядка 500 миллионов, а всему мировому соббществу за 50 лет это обошлось в 22 миллиарда долларов.

Тогда и возникла мысль о международной программе. Так возник проект ИТЕР (ITER - International Thermonuclear Experimental Reactor) или ИТЭЙР (такое произношение "eat-air" предлагает New York Times). Стоимость проекта около 6 миллиардов долларов, строительство которого планируют завершить до 2011 года. Участники - ЕС, США, Россия и Япония КНР и Южная Корея. Сегодня реальных претендентов на право заиметь ITER на своей территории осталось два - Франция и Япония, которые и не могут поделить пока несуществующий реактор. Преимущество Франции состоит в том, что именно там реализован уникальный проект единственного в мире томакака со сверхпроводящими обмотками, которые охлаждаются сверхтекучим гелием. То есть, у французов уже существует мощнейшая структура и высококвалифицированные кадры. На площадке Рокасе в Японии - другая технологическая цепочка. Там идет сооружение завода по переработке облученного ядерного топлива, расположено высокотехнологичное хранилище высоко- и среднерадиоактивных отходов. Если во Франции предлагаемая под ITER площадка находится в регионе, где расположен национальный ядерный центр, то в Японии - это просто радикально изменит всю научную инфраструктуру, которая будет создана для реализации этого проекта. Но самый существенный недостаток японской площадки - это высокая сейсмичность.

Какие же преимущества имеет термоядерный синтез по сравнению с ядерными реакциями деления, которые позволяют надеяться на широкомасштабное развитие термоядерной энергетики? Основное и принципиальное отличие заключается в отсутствии долгоживущих радиоактивных отходов, которые характерны для ядерных реакторов деления. И хотя в процессе работы термоядерного реактора первая стенка активируется нейтронами, выбор подходящих низкоактивируемых конструкционных материалов открывает принципиальную возможность создания термоядерного реактора, в котором наведенная активность первой стенки будет снижаться до полностью безопасного уровня за тридцать лет после остановки реактора. Это означает, что выработавший ресурс реактор нужно будет законсервировать всего на 30 лет, после чего материалы могут быть переработаны и использованы в новом реакторе синтеза. Эта ситуация принципиально отличается от реакторов деления, которые производят радиоактивные отходы, требующие переработки и хранения в течении десятков тысяч лет.

Подобные исследования ныне активно проводят автомобилестроительные компании. Honda Motor, General Motors, Ford Motor, Mazda, Toyota, DaimlerChrysler начали выпуск экспериментальных автомобилей, работающих на водородных двигателях (в США их называют fuel-cells cars - "автомобили на топливных элементах"). Топливные элементы, изобретенные более полутора веков назад, это электрохимические устройства, которые получают электроэнергию за счет реакций взаимодействия водорода и кислорода. Единственным "вредным" выбросом, образующимся в результате работы подобных двигателей, является вода. В последние годы стоимость топливных элементов значительно снизилась. По оценкам Rocky Mountain Institute, в 1998 году, когда был создан первый современный топливный элемент, его себестоимость составляла несколько тысяч долларов на киловатт. Ныне она упала до 500-800 долларов, а если будет начато массовое производство подобных устройств, то цена упадет до 50 -100 долларов за киловатт.

От надежд на бубликообразные камеры осталась дырка

Перспективы весьма заманчивые. Неужели завтра мы забудем о проблеме нефти и наступит социализм с дешевой электроэнергией? Далеко не все эксперты, однако, разделяют эту точку зрению.

Что такое водород? Его добывать надо. А добывают его, в основном с использованием электричества. А электричество получают сжиганием газа, нефти, а также угля. Водород - это не первичный энергоноситель, а вторичный. Для того, чтобы произвести этот энергоагент, мало иметь воду: нужно иметь энергию, чтобы ее расщепить, разделить на кислород и водород. После этого баллон со сжиженным водородом ставят на транспортное средство или на что-то еще, и он у вас прекрасно используется как вторичный энергоноситель. Но абсолютное значение газа, нефти и угля при этом не меняется, потому что они нужны для производства водорода.

Современный уровень развития технологий не позволяет использовать водород эффективно. Изготовление водородного топлива для автомобилей ныне в четыре раза дороже, чем производство автомобильного бензина в количестве, достаточном для производства аналогичного количества энергии. Кроме того, остается проблемой создание "водородной инфрастуктуры" - сети заправочных станций - сервисных центров, необходимых для обслуживания автомобилей, работающих на водородном топливе. По оценкам Аргоннской Национальной Лаборатории (Argonne National Laboratory), в масштабах США для этого требуется затратить более 600 миллиардов долларов.

Существуют также серьезные сомнения в том, что водородное топливо действительно столь экологически безопасно, как утверждают его сторонники. Исследование Калифорнийского Технологического Института (California Institute of Technology) показало, если водород станет популярным автомобильным топливом, то его количество в атмосфере значительно увеличится. Это может привести к уничтожению озонового слоя, защищающегося Землю от смертоносных космических лучей, глобальному изменению климата и активному размножению опасных микробов. Кроме того, водородные двигатели в процессе работы выделяют намного больше газов, разрушающих озоновый слой Земли (в частности, оксидов азота), чем современные модели традиционных бензиновых автомобилей.

За 40 лет токамаков в Европе и Америке было построено немало. Но пока они себя не оправдали. Ядерный синтез в них длился всего лишь ничтожные доли секунды, энергию они вырабатывать могли, но пожирали ее на нагрев плазмы еще больше. "Это интересная физика, но бесперспективная энергетика", - поговаривали некоторые из разочаровавшихся термоядерщиков. В прошлом году Конгресс Соединенных Штатов уменьшил ровно на треть финансирование термоядерных исследований традиционного типа, а недавно самый мощный в мире токамак Принстонской лаборатории физики плазмы (штат Нью-Джерси) был законсервирован если не навсегда, то во всяком случае надолго.

Туманна судьба ИТЭЙРа, последнего (хотя еще и не родившегося) в роду токамаков, туманна и сама идея токамаков. ИТЭЙР мог бы окончательно продемонстрировать, тупиковая это или перспективная ветвь термоядерной эволюции. Но появится ли он?

Также использованы материалы: сайт ITER, International Atomic Energy Agency, Российский Федеральный ядерный центр, Экологическая правда, Термоядерная энергетика, экспертный канал "Открытая экономика".