Термоядерный синтез: в тени зелёной энергетики

Бурное развитие возобновляемых источников энергии отодвинуло на задний план внимание к проектам создания термоядерного реактора. Но безуглеродный термояд по-прежнему находит финансирование. Продолжается строительство знакового для термоядерной энергетики международного демонстрационного термоядерного реактора ИТЭР во Франции. Федеральное правительство США выделило 4,7 миллиарда долларов на развитие новой технологии и связанные с ней научные разработки.

Изучение возможности получения энергии за счет слияния ядер изотопов водорода и гелия началось в 60-е годы прошлого века сразу после удачных испытаний термоядерных бомб (1 ноября 1952 года США, 12 августа 1953 года СССР). За семьдесят лет достигнуты огромные успехи в изучении физики термоядерных процессов, но добиться конечного желаемого результата – создание устройства, способного генерировать энергию, пригодную для коммерческого использования – не удалось. И, похоже, вряд ли удастся в обозримом будущем. Среди российских физиков ходит легенда, что руководитель термоядерных проектов СССР Лев Арцимович перед смертью в 1973 году сказал: «Кажется, ни хрена у нас с термоядом не получится».

На сегодня основным термоядерным проектом в мире является ИТЭР (ITER, International thermonuclear experimental reactor), сооружаемый вблизи города Кадараш во Франции. Идея его создания начала обсуждаться с 1985 года. Соглашение о начале работ подписано в 2006 году. Строительство началось в 2010 году. Начало экспериментов на реакторе запланировано на 2025 год. На сегодня в проекте участвуют ученые 35 стран.

Реактор типа «токамак» должен нагреть и удержать высокотемпературную водородную плазму в магнитной ловушке тороидальной формы достаточное время, чтобы энергия, полученная за счет слияния ядер водорода, оказалась больше затраченной на нагрев плазмы.

Последняя новость по проекту: компания «General Atomics» (США) продолжает отгрузку сверхпроводящих магнитов центрального соленоида.

Первоначально предполагалось, что ИТЭР будет стоить примерно 5 миллиардов долларов. Теперь менеджеры ИТЭР утверждают, что стоимость проекта составляет примерно 22 миллиарда долларов. По оценке Министерства энергетики США, которое должно покрывать 9% общих затрат на проект, фактические затраты составляют около 65 миллиардов долларов. Даже при цене в 22 миллиарда долларов стоимость электростанции, подобной ИТЭР, будет примерно в десять раз дороже традиционной атомной электростанции на уране.

Но это не все. Самая легко реализуемая реакция синтеза осуществляется за счет слияния двух изотопов водорода – дейтерия и трития. Дейтерий содержится в природной воде и легко извлекается. Тритий (молекула водорода, в ядре которого три атома водорода) не существует и не может существовать в природе – время его полураспада 12 лет. Тритий обычно получают путем облучения нейтронами изотопа Li-6. Тритий используется как маркер в лабораторных исследованиях (около полукилограмма в год) и для поддержания атомных арсеналов (около 7 кг в год). Сейчас признано, что мировых запасов трития недостаточно для будущих пилотных термоядерных установок, не говоря уже о коммерческих термоядерных реакторах.

Наладить производство трития можно на обычных реакторах, обложив корпус литиевыми блоками. Основная проблема в другом – в физике процесса. Температура плазмы, необходимая для начала реакций синтеза, более 10 млн градусов. Даже если удается удержать плазму такой температуры внутри камеры реактора магнитным полем, на стенки реактора идет мощный поток теплового излучения, который требует изощренных систем охлаждения.

Еще более изощренной системы охлаждения до температуры жидкого гелия (минус 169 °С) требуют сверхпроводящие обмотки магнитных катушек ИТЭР. Система охлаждения магнитов ИТЭР – отдельный завод по производству жидкого гелия.

Но даже если все проблемы с нагревом и охлаждением удастся решить, остается проблема, нерешаемая в принципе, – мощное нейтронное излучение. В обычном реакторе нейтроны рождаются в процессе распада ядер урана со средней энергией 2 МэВ и замедляются специально подобранными средами (тяжелая вода, графит, бериллий) до энергии несколько эВ для эффективного захвата ядрами урана. В реакторе на быстрых нейтронах нейтроны не замедляются, их эффективная энергия для реакции составляет 100 кэВ. В термоядерном реакторе в процессе синтеза рождаются нейтроны с энергией 14 МэВ, такие нейтроны проходят через стальную стенку в 8 см. На английском токамаке JET, который ближе всех других токамаков подошел к коммерческому уровню энергобаланса (параметр Q – отношение энергии, выделенной в реакции, к энергии, затраченной для разогрева плазмы – составил около 0,7, для зажигания самоподдерживающегося горения плазмы требуется достичь величины Q более 1), стенка реактора через несколько месяцев экспериментов стала настолько радиоактивной, что ученым пришлось сделать робота для обслуживания реактора.

Кроме того, в процессе реакции синтеза образуются ядра гелия (альфа-частицы) с энергией 3,5 МэВ, которые пробегают в металле около 10 мкм. Внедрившийся в металл гелий образует под поверхностью газовые пузыри – блистеры, которые потом разрываются. Стенка реактора начинает шелушиться.

Илон Маск как-то справедливо заметил, что термоядерным синтезом заниматься незачем, и напомнил шутку: «До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет».

Термоядерный синтез так и остался способом для ученых «удовлетворить своё любопытство за государственный счёт», но они смогли с новым энтузиазмом преподнести его политикам под аурой «зеленой энергетики».

Правительство США выделило 4,7 миллиарда долларов на развитие новой технологии и связанные с ней научные разработки, из них 1,5 миллиарда долларов предназначены для ИТЭР.

За 2020 год в термояд, сообщила Лента, вложено 300 миллионов долларов. Компания по созданию термоядерной энергии TAE Technologies, расположенная в штате Калифорния, привлекла в 2021 году 130 миллионов долларов. А британское предприятие First Light Fusion в 2020 году собрало около 25 миллионов долларов на создание термоядерного реактора. Суммы небольшие, но достаточные для продолжения научных исследований.

Иногда ученым удается вскружить голову миллиардерам: при поддержке Джеффа Безоса канадская компания General Fusion планирует построить в Великобритании завод по производству термоядерной энергии, который должен начать работу к 2025 году.

В феврале 2021 года Национальная академия наук США опубликовала отчет, в котором рекомендовала министерству энергетики и частному сектору производить чистую электроэнергию на экспериментальной термоядерной установке в 2035-2040 годах.

Подождем еще 20 лет.