Почему ядерный синтез остается лучшим выбором для получения 100% чистой энергии

Долгое время относившийся к мусорной свалке утопических технологий чистой энергии в сфере сбора энергии из черных дыр, ядерный синтез внезапно возвращается — и не зря.

Термоядерный синтез не только сверхмощный, но и самый чистый и практически безграничный источник энергии, известный человеку. Фактически, ядерный синтез — это в значительной степени наш идеальный источник энергии, который не только, вероятно, сыграет огромную роль в переходе от «грязного» ископаемого топлива к чистой энергии, но и обеспечит покорение нашего последнего рубежа: космос.

Энергия термоядерного синтеза может производить наиболее безопасную энергию без парниковых газов и долгоживущих радиоактивных отходов. Тем не менее, каким-то образом практическая энергия ядерного синтеза на нашей планете так и осталась далекой миражом. Но, наконец, этот неуловимый источник энергии может быть ближе к тому, чтобы стать повседневной реальностью, чем мы себе представляем.

Ядерное деление уже является нашим самым надежным чистым источником энергии с минимальным временем простоя, хотя и с запятнаной репутацией в области безопасности, включая катастрофы в Чернобыле, Фукусиме и Три-Майл-Айленд. С другой стороны, ядерный синтез не только намного мощнее деления, но и не несет никакого риска для аварии, подобной чернобыльской аварии.

Практическая сила термоядерного синтеза

После 35 лет кропотливой подготовки и бесчисленных задержек ученые наконец-то взяли курс на фундамент, начав пятилетнюю фазу сборки огромного Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР), крупнейшего в мире термоядерного реактора в Сен-Поль-ле-Дюранс, Франция.

ИТЭР, финансируемый шестью странами, включая США, Россию, Китай, Индию, Японию и Южную Корею, станет крупнейшим в мире термоядерным устройством токамака с ориентировочной стоимостью около 24 миллиардов долларов и способным генерировать около 500 МВт тепловой энергии термоядерного синтеза уже в 2025 году.

Изначально Соединенные Штаты и бывший Советский Союз были первыми странами, проводившими исследования в области термоядерного синтеза из-за его потенциала для разработки атомного оружия. Следовательно, технология термоядерного синтеза оставалась засекреченной до конференции «Атом для мира» в Женеве в 1958 году. Исследования термоядерного синтеза стали «большой наукой» в 1970-х годах благодаря прорыву на советском токамаке.

Однако вскоре стало ясно, что практический ядерный синтез приведет к желаемому прогрессу только благодаря международному сотрудничеству из-за высокой стоимости и сложности задействованных устройств. 

Ядерный синтез в основном включает в себя столкновение атомов водорода с достаточной силой, чтобы образовался гелий и высвобождение энергии в эквиваленте массы и энергии E = MC2. Синтез — это процесс, посредством которого все звезды, от красных карликов и Солнца до самых массивных сверхгигантов, генерируют огромное количество энергии в своих ядрах, повышаясь до температуры 4 000 000 К или выше. 

Ядерный синтез генерирует в четыре раза больше энергии из той же массы топлива, чем ядерное деление, технология, которая включает расщепление атомов, которая в настоящее время используется в ядерных реакторах мира. Массивные гравитационные силы на Солнце и звездах создают подходящие условия для протекания термоядерного синтеза при значительно более низких температурах; однако гораздо меньшая масса Земли (1/330 000 от массы Солнца) и меньшая гравитация означают, что для запуска процесса ядерного синтеза и его поддержания требуются гораздо более высокие температуры, порядка сотен миллионов градусов Кельвина.

К сожалению, до сих пор каждый термоядерный эксперимент был отрицательным, поскольку потреблял больше энергии, чем генерировал.

ИТЭР — это атомная электростанция, призванная продемонстрировать, что безуглеродная энергия термоядерного синтеза может стать коммерческой реальностью. ИТЭР планирует использовать реакторы токамаки для магнитного удержания дейтерий-тритиевой плазмы. 

Большая фундаментальная проблема здесь заключается в том, чтобы ИТЭР достиг скорости тепловыделения термоядерной плазмы, превышающей скорость впрыска энергии в плазму. Естественно задаться вопросом, что же такого особенного на этот раз, что дает исследователям уверенность в том, что ИТЭР не будет просто еще одним дорогостоящим экспериментом, который в конечном итоге окажется на свалке ядерного синтеза.

Ученые ИТЭР успешно разработали новый сверхпроводящий материал — по сути, стальную ленту, покрытую оксидом иттрия-бария-меди, или YBCO, которая позволяет им создавать меньшие и более мощные магниты. Это снижает энергию, необходимую для запуска реакции синтеза с земли.

Согласно Fusion for Energy — совместному предприятию ЕС для ИТЭР — 18 ниобий-оловянных сверхпроводящих магнитов, также известных как катушки тороидального поля, будут использоваться для удержания плазмы с температурой 150 миллионов градусов Цельсия. Мощные магниты будут генерировать мощное магнитное поле, равное 11,8 тесла, или в миллион раз сильнее, чем магнитное поле Земли. Около 3000 тонн этих сверхпроводящих магнитов будут соединены 200 км сверхпроводящих кабелей и поддерживаться при температуре -269 °C с помощью самого большого в мире криостата, произведенного в Индии.

Европа изготовит десять катушек тороидального поля, а Япония — девять. 

Токамак массой в 23 000 тонн рассчитан на производство 500 МВт термоядерной мощности из 50 МВт входной тепловой мощности, что делает его энергетически положительным.

Чище, чем деление?

В 440 ядерных реакторах мира генерировать ~ 10% мировых потребностей в электроэнергии. Подобное количество термоядерных реакторов теоретически могло бы заменить все угольные электростанции, которые в настоящее время производят почти 40% мировой электроэнергии.

Но помимо их абсурдных энергетических возможностей, термоядерные реакторы рекламировались как идеальный источник энергии, поскольку они не могут плавиться и производить гораздо меньше радиоактивных отходов, в отличие от реакторов деления, которые в прошлом оказывались катастрофическими из-за неконтролируемых цепных реакций.

Но вот ирония всего этого: ядерные реакторы деления остаются единственным надежным источником трития для использования в термоядерных реакторах.

Разработчики термоядерного синтеза отдают предпочтение дейтерий-тритиевой реакции по сравнению с дейтерий-дейтериевой реакцией в основном потому, что ее реакционная способность в 20 раз выше, чем у дейтерий-дейтериевой реакции, и для нее требуется температура, составляющая лишь треть температуры, требуемой для синтеза только дейтерия. В отличие от дейтерия, который легко доступен в обычной воде, тритий редко встречается в природе, главным образом потому, что этот изотоп водорода имеет период полураспада всего 12,3 года.

В случае успеха ИТЭР станет первым в мире источником электроэнергии, не использующим природное топливо.

Будет интересно посмотреть, понесут ли ИТЭР и последующие термоядерные электростанции тот же позор, который традиционная ядерная энергия изо всех сил пыталась стряхнуть.

Елизавета Коробкова

Редактор ЭНЕРГОСМИ.РУ