Солнце не лезет в банку: почему у человечества до сих пор нет термоядерной энергии
Самая крупная в России термоядерная установка Т-10 заработала 50 лет назад
Первые термоядерные реакторы попытались построить еще в 1950-е годы, и это казалось прекрасной идеей: посадить солнце в магнитную банку, и пусть оно греет. Однако засунуть его в эту банку оказалось гораздо сложнее, чем сделать термоядерную бомбу. Раскаленная плазма вырывалась по неведомой причине, и только сейчас ученые приступили к созданию того, что действительно может стать термоядерной электростанцией. О том, почему надежды на скорое получение термоядерной энергии были ложными, — в материале «Газеты.Ru».
Рукотворное солнце
Часто говорят, будто термоядерный реактор работает так же, как солнце, получая энергию за счет синтеза тяжелых элементов из водорода. Это не совсем так. В недрах Солнца действительно идет термоядерная реакция за счет того, что гравитация сжимает ядра атома водорода (протоны), заставляет их преодолеть взаимное отталкивание и слиться.
Это слияние происходит не как у капель воды, а за счет ядерной реакции, в ходе которой из двух протонов образуется ядро тяжелого водорода, состоящее из протона и нейтрона. Ядро тяжелого водорода затем вступает в реакцию с другим протоном и образует гелий-3, а два ядра гелия-3 при слиянии дают конечный продукт — привычный нам гелий-4.
С точки зрения классической, не-квантовой механики, при этом происходит чудо: масса исходного прореагировавшего водорода будет меньше, чем полученного гелия. Разница выделяется в виде энергии по знаменитой формуле Эйнштейна E=mc2, и именно эта энергия разогревает Солнце.
Второе чудо заключается в объеме выделенной энергии. Всего один грамм водорода производит ее столько же, сколько сгоревшие 15 тонн бензина или крупная угольная электростанция за 10 минут. Один супертанкер нефти могут заменить всего 20 кг водорода, а один супертанкер водорода (хоть его и нельзя возить танкерами) мог бы питать все земные электростанции сотни или тысячи лет.
Эти два чуда, а также тот факт, что на Земле существуют целые океаны водорода, и породили у человечества восторженный энтузиазм по отношению к термоядерной энергии. По сути, это чудо-печка, которую можно топить водой! Это звучит примерно так же завлекательно, как добыча денег из воздуха.
Однако идею топить термоядерный реактор «водой», точнее, простым водородом-1, можно забыть и никогда не вспоминать. Уже в XX веке ученым было очевидно, что воспроизвести солнечную реакцию на Земле нельзя. Обычный водород требует для синтеза слишком высоких температур и давлений, и даже в этом случае будет выделять энергию слишком медленно. Его малая скорость реакции является благом для звезд (иначе бы они сгорали слишком быстро), но не подходит для электростанций. Куда лучше подходят тяжелые изотопы водорода — дейтерий и тритий, но даже их относительная редкость не является проблемой на фоне всего остального.
Не все так просто
Термоядерная реакция зажигается в плазме при очень высоких давлении и температуре, которая, в случае термоядерного реактора, должна достичь примерно 100 млн градусов. Разумеется, ни один материал не выдержит такой температуры, и потому в 1950—1960-х годах у ученых родилась идея. Плазма состоит из заряженных частиц (ионов), и раз они заряженные, то должны реагировать на магнитное поле и менять под его действием направление движения. Расставив магниты вокруг камеры реактора, можно поймать эти частицы в ловушку и не дать им касаться стенок.
Тогда, в середине ХХ века, многим казалось, что ответ практически готов. Концепция ясна, физические принципы понятны, осталось лишь уточнить детали и решить задачу с инженерной точки зрения. Примерно на такой же стадии готовности в 1870—1880-х годах находились самолеты, а в 1930-х годах — космические ракеты. Что же касается термоядерного реактора — в истории науки трудно найти еще более яркий пример ложного оптимизма и обманутых ожиданий.
В первую очередь, плазма отказывалась спокойно висеть в реакторе. Изначально физики надеялись, что она будет левитировать, как неодимовый магнит над подставкой. На тот момент считалось, что плазма — это всего лишь набор заряженных отдельных частиц, но оказалось, что это даже близко не так. Возник целый научный раздел — физика плазмы, который считается узкоспециализированным и требует крайне высокой теоретической подготовки. Поведение плазмы настолько сложно, что его невозможно полноценно изложить в популярном формате. Выражаясь кратко — это хаотичный бурлящий суп, вечно турбулентный и будто назло ученым пытающийся вырваться из ловушки.
«Люди рассчитывали конструкцию эти замечательных машин, включали их, а они не работали ни черта», — пояснял американский физик плазмы Гарольд Фурт. Оказалось, ученые находятся не в позиции Циолковского, мечтавшего о ракетах, а в положении натуралистов XVIII века, еще не выяснивших, существуют ли эфир с теплородом.
Долгие годы ушли на то, чтобы построить хоть какую-то теорию поведения плазмы, и все это время человечество жило с ощущением, что «термоядерный реактор не за горами».
От вас одни убытки
К концу 1960-х годов прогресс наконец сдвинулся с мертвой точки. В СССР начали строить токамаки — опытные установки, в которых магнитная ловушка имела форму тора (бублика). В 1969 году в токамаках удалось достичь температуры плазмы в 10 млн градусов и удержать ее в течение 0,002 секунды. Это меньше, чем нужно было для устойчивого термоядерного синтеза, но доказало, что ученые движутся в правильном направлении. В мире начался бум строительства токамаков, и к началу 1980-х годов их насчитывалось уже 70.
По комплексу причин СССР упустил лидерство в токамаках. Самой крупной установкой такого класса в России сейчас является Т-10, впервые запущенный в 1975 году и имеющий диаметр 150 см, что намного меньше американских, европейских и азиатских.
Никто не понимал, почему токамаки работают. Не было теорий, объясняющих, почему плазма в них настолько стабильна и, казалось, советские ученые либо выстрелили наугад, либо проявили феноменальную научную интуицию. Ясна была лишь закономерность: чем больше токамак, тем дольше удержание и эффективнее работа. Размер — это деньги, и очень быстро 40-сантиметровые магнитные бублики превратились в многометровые, а бюджеты исследований по термоядерному синтезу стали напоминать космические.
Физикам повезло, что в 1973 году произошел гигантский скачок цен на нефть, и потому денег на альтернативные источники энергии не жалели. Теперь предстояло решить количественную проблему: чтобы энергия, выделенная плазмой за счет термоядерного синтеза, была больше, чем потрачено на ее сжатие и разогрев.
К этой цели шли вслепую, опытным путем. Так, в 1982 году западногерманский ученый Фридрих Вагнер в ходе опытов на токамаке ASDEX обнаружил особый режим нагрева плазмы (H-режим), при котором ее плотность и стабильность резко увеличиваются. В 1986 году американские ученые на принстонском токамаке TFTR случайно провели особо тщательную чистку камеры реактора между экспериментами, и оказалось, что это увеличивает время удержания вдвое.
Но время шло, цены на нефть падали, а плазма все так же больше потребляла энергии, чем производила. В 1985 году физик Роберт Хирш, руководивший всей программой по управляемому термоядерному синтезу в США, и вовсе предположил, что направление токамаков оказалось тупиковым.
В настоящий момент рекорд по КПД (Q) принадлежит расположенному в Британии европейскому токамаку JET, чья камера имеет диаметр три метра и вмещает сто кубометров плазмы. В 1997 году в ходе одного из экспериментов он потребил 24 мегаватта энергии и выделил 16, достигнув коэффициента Q в 0,67.
Новая надежда
Но занимающиеся термоядерным синтезом ученые, видимо, обладают неплохой деловой хваткой, раз продают правительствам разных стран одну и ту же идею на протяжении десятилетий. Сейчас последней надеждой токамаков считается ITER — циклопическая установка с диаметром камеры 6,2 метра, которую строят во Франции, без преувеличения, всем миром. Участвует в этом проекте и Россия, причем огромную магнитную катушку полоидального поля отправили во Францию в 2022 году, несмотря на санкции и конфликт с Западом.
Первую плазму в ITER планируют получить к середине 2030-х годов. Главная цель проекта — достичь Q порядка 10, с поглощением 50 мегаватт и производством 500. Однако даже в случае успеха это будет лишь очередным первым шагом, и термоядерные электростанции вновь окажутся «не за горами». Проблема в том, что этот показатель измеряет лишь энергию, поглощенную плазмой, в то время как вся установка целиком поглощает ее намного больше, тратя ее на работу оборудования. И даже после того, как Q-инженерная (всей установки) окажется выше единицы, останется самый главный вопрос, ради которого все и затевалось: как сделать, чтобы стоимость произведенной энергии была сравнима с рыночной хотя бы с учетом льгот и государственных инвестиций?
В любом случае, работа ученых не пропадет зря. Помимо фундаментального значения физики плазмы для понимания устройства мира, у нее есть множество прикладных применений, от астрофизики и физики атмосферы до космических полетов. Например, один из самых перспективных разрабатываемых ракетных двигателей — VASIMR — в каком то смысле похож на открытый с одного конца токамак, в котором плазма магнитными полями сжимается и выбрасывается из сопла. Благодаря этому за счет того же объема топлива, в теории, можно разогнаться до скоростей в 10-100 раз больших.
Наконец, токамаки — это не единственное направление исследований в области управляемого термоядерного синтеза. Существуют опытные установки, которые вообще не предполагают использования магнитов, а вместо этого надеются производить энергию за счет серии термоядерных вспышек. Например, американская установка NIF разогревает лазером внешние слои микроскопической мишени, заставляя сферу схлопываться и сжимать центр, заполненный термоядерным горючим. По сути, это небольшой термоядерный взрыв, и в 2022 году в ходе одного из экспериментов взрыв выделил энергии в 1,5 раза больше, чем поглотила мишень. Однако это была лишь одна сотая от того, что потребила установка целиком.
Так что, спустя 70 лет исследований, можно снова со всей ответственностью заявить: термоядерная энергия «не за горами» и скоро прибудет в каждый дом.
Что думаешь? Комментарии