Зачем нужна бутылка без дна, но с двумя горлышками

Во Франции за десятки миллиардов евро конструируют гигантский демонстратор возможности использования термоядерной энергии ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Физики в Сибири и в США строят у себя установки поменьше.

Промышленный реактор, созданный на основе ITER, когда-нибудь заменит человечеству углеводородное топливо. В прошлом году в Институте ядерной физики СО РАН в Новосибирске введена в эксплуатацию новая экспериментальная установка КОТ — компактный осесимметричный тороид. Машина представляет собой небольшой цилиндр с горячей плазмой внутри вакуумной камеры, где при ста миллионах градусов должны происходить термоядерные реакции с выделением энергии.

Примером природного термоядерного котла служит Солнце. Внутри него непрерывно происходят ядерные реакции «горения» водорода и превращения его в гелий, в результате выделяется колоссальная энергия. В Солнце удержание вещества происходит за счет его огромной гравитации, поэтому повторить в лаборатории такой сценарий невозможно. В земных условиях удерживать плазму достаточное время для протекания термоядерных реакций реально с помощью магнитного поля, создаваемого витками с током. Только, в отличие от металла, плазма не притягивается магнитом, а отталкивается от него. Это существенно усложняет задачу физикам: плазма старается покинуть область удержания и погибнуть на стенках вакуумной камеры еще до начала протекания термоядерных реакций.

Проблемы удержания и стабилизации плазмы — это ключевые задачи для получения термоядерной энергии. Поведение плазмы можно рассчитать только для немногих простых случаев. Дело в том, что, в отличие от газа, плазма имеет гораздо больше степеней свободы из-за магнитных и электрических полей, влияющих на движение отдельных частиц. Поэтому поведение плазмы слабо предсказуемо и требует больших вычислительных мощностей. Чтобы просчитать всего лишь одну тысячную долю секунды из жизни плазмы в реакторе (проследить, куда она полетела и как погибла), сегодня требуется месяц работы обычного компьютера. Вот и ответ на вопрос, почему физика плазмы до сих пор является фундаментальной наукой, а не прикладной. Выход только один — эксперименты, а это очень затратно.

В настоящее время множество научных коллективов во всем мире усилено занимаются работами в области УТС (управляемый термоядерный синтез). Сюда относятся крупные международные коллективы и стартапы по теме открытых магнитных систем, в том числе в ИЯФ СО РАН, где работают несколько экспериментальных установок и ведутся работы по физике плазмы. Тут изучают поведение стенок вакуумной камеры термоядерного реактора при интенсивном нейтронном потоке. На установке КОТ проводят эксперименты и создают базу данных для установки следующего поколения. Она должна будет демонстрировать технологии УТС и показать все преимущества открытых магнитных систем. Сильная интернациональная команда ученых работает на коммерческой установке C-2W/Norman компании TAE Technologies в Калифорнии. С этой компанией ИЯФ давно и успешно сотрудничает. Установка КОТ и американская C-2W схожи по физическому принципу, заложенному в основу формирования и удержания плазмы.

Какие бывают термоядерные реакторы

Реакторы типа «токамак» — это замкнутые тороидальные камеры с магнитными катушками. В установках типа «токамак», в частности, в крупнейшей в мире установке ITER, горячая плазма находится в замкнутой камере, поэтому выделение энергии происходит с минимальными потерями. Но такая конструкция имеет массу ограничений по характеристикам магнитного поля и требует огромных вложений. Температура плазмы внутри камеры составляет более ста миллионов градусов, и даже самые огнеупорные материалы сверхпроводящей обмотки начинают испаряться и загрязнять плазму, которая из-за этого меняет параметры, что приводит к затуханию процесса.

Небольшая установка КОТ отличается от ITER не только своими скромными размерами, но и всей конструкцией. В ней плазма находится не в замкнутом пространстве: отработала — и вышла. В такой системе намного меньше нерешаемых вопросов и проблем, чем в замкнутой. Установки открытого типа похожи на бутылку без дна с двумя горлышками, направленными в разные стороны. После выделения энергии отработанная плазма свободно вытекает из магнитной ловушки через симметрично расположенные горлышки. А в камеру вместо отработанного топлива поступает новая порция сжатого газа — смеси дейтерия и трития. Для удачной эксплуатации важно лишь добиться, чтобы плазма горела как можно дольше и стабильнее. Сейчас коллектив сибирских ученых работает над проблемой нагрева плазмы и ее стабилизации.

«Важно различать термоядерные источники для демонстрации технологий УТС, как в случае ITER, и для экспериментов по изучению поведения плазмы с термоядерными параметрами, как у нас и в США,— пояснил старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат физико-математических наук Сергей Мурахтин.— Мы используем в своих экспериментальных установках обычный водород, а не термоядерное топливо (дейтерий или тритий). Он ничем не отличается по физическим свойствам от своих радиоактивных изотопов, поэтому идеально подходит для экспериментов. Получается плазма с термоядерными параметрами, но без дополнительных сложностей по хранению термоядерного радиоактивного топлива и эксплуатации систем радиационной защиты. Ведь тритий является нестабильным элементом, поэтому его невозможно долго хранить в закрытом сосуде — через несколько лет его количество уменьшится в разы. Существуют и конструкторские сложности, связанные с размером установок. Объем плазмы в ITER составляет сотни кубометров, а в небольшой установке КОТ — всего 20 литров».

Вакуумная камера установки КОТ — это, по сути, труба, на которой закреплено несколько соленоидов с медной обмоткой. Эта конфигурация была придумана еще в советские времена основателем Института ядерной физики Сибирского отделения РАН в Новосибирске Гершем Будкером, и установка называлась пробкотроном Будкера-Поста. Медные кольца, по которым течет ток, создают магнитное поле. Оно и удерживает плазму в камере. Ее главный недостаток в том, что потери энергии в открытом реакторе неизбежны, то есть система требует постоянной подпитки энергией и веществом, в отличие от токамаков, у которых замкнутая конфигурация магнитного поля. Зато данная конструкция в тысячи раз дешевле любого токамака, а с потерями физики-ядерщики успешно борются, все сильнее сужая горлышки камеры и увеличивая магнитное поле. Так им удается удерживать плазму в реакторе, которая начинает медленнее вытекать и дольше гореть.

Считается, что подобная задача не имеет простых решений. Все ее подводные камни хорошо известны узким специалистам, которые изучали вопрос на протяжении почти ста лет. Тем не менее в мире существует две группы ученых, которые могут себе позволить удовлетворить свое любопытство и продолжить проводить подобные эксперименты. Одна — очень богатая компания в США, а вторая — в Новосибирске, не очень богатая, но зато способная сделать все установки своими руками буквально из подручных материалов, а в качестве рабочей силы привлечь молодежь — аспирантов и студентов из Новосибирского госуниверситета и НГТУ (технического университета). Пусть в ходе эксперимента будет много ошибок — на то он и эксперимент,— зато какую богатую физику процесса мы увидим своими глазами и каких мощных специалистов вырастим! В ходе таких работ всегда появляется огромное количество новых идей и решений, и это по-настоящему интересно и захватывающе.

Как в ИЯФ воспитывают КОТа

«В камеру с плазмой направляют два пучка частиц (атомов водорода) с высокой энергией, и они начинают крутиться по камере, как спутники вокруг Земли, создавая при этом дополнительный ток и магнитное поле, направленное в обратную сторону от ведущего поля, и в центре камеры возникает раздувание магнитного пузыря, словно надувается мяч,— рассказывает Сергей Мурахтин.— Тут начинается очень интересная и сложная физика — рождается новое замкнутое магнитное поле FRC (Field Reversed Configuration). Его особенностью является отсутствие потерь энергии вдоль силовых линий и оптимальное использование магнитного поля».

Метод FRC появился еще в XX веке и получил название «полное обращение магнитного поля». В Ливерморской лаборатории в США такие эксперименты на установке 2X2B проводились вполне успешно еще в 1976 году, и эффективность использования магнитного поля достигала 90%. Плазменная установка на основе замкнутого магнитного поля или FRC построена в Китае.

Для сравнения: эффективность использования магнитного поля в токамаках — всего несколько процентов. Если же сделать плотнее саму плазму, чтобы она эффективнее использовала это магнитное поле, то плазма «закипает» и погибает на стенках камеры. В установках открытого типа ГДЛ (газодинамическая ловушка — еще одна экспериментальная установка ИЯФ) эффективность использования магнитного поля составила 60%. Это мировой рекорд в установках открытого типа. В перспективе на новой экспериментальной установке КОТ предполагается довести этот параметр практически до 100%.

Зеленой энергетики не существует

Ни один реализованный сегодня вид энергии, включая гидроэнергетику, солнечную и ветряную, не является безвредным для экологии. Если не вдаваться в подробности, строительство плотины для ГЭС приводит к гибели многих видов крупной пресноводной рыбы, которая теряет возможность проходить на нерест вверх по руслу реки. Изменение ландшафта в связи с затоплением больших территорий также приводит к исчезновению многих биологических видов и проблеме обрушения сотен километров берегов.

Кроме большого периода окупаемости, составляющего десятки лет, солнечные батареи имеют крайне низкий КПД (максимально — 20%, в среднем — 10%), а площади, которые требуется ими покрыть,— это не крыши домов, а многие тысячи гектаров земли, о которых никто обычно не говорит. Все эти гигантские территории будут круглосуточно затенены, поскольку батареи всегда поворачиваются вслед за солнцем, так что площади под ними будут абсолютно лишены растительного покрова. В лопастях ветрогенераторов каждый год гибнут тысячи птиц во время сезонных миграций, поскольку траектории полета стай перелетных птиц нередко совпадают с коридорами, в которых энергетические компании отмечают оптимальную скорость ветра для непрерывной и ровной работы генераторов.

Термоядерная реакция в плазме происходит с образованием нейтронов, которые поглощаются стенками вакуумной камеры, а уже с них затем можно снимать тепловую энергию. Но стенки камеры постепенно накапливают нейтроны и излучают радиацию, так что все детали этой конструкции когда-нибудь неизбежно придется утилизировать. Безнейтронные термоядерные реакции на основе дейтерия и изотопа гелия-3 происходят с образованием альфа-частиц, но для их реализации нужна температура в реакторе на порядок выше, чем достигнутые сегодня сто миллионов градусов. То же самое касается и другой безнейтронной термоядерной реакции на основе протона и изотопа бора-11. Американская установка C-2W сделана специально для безнейтронной термоядерной реакции, и если этот эксперимент окажется успешным, это действительно будет первая в мире установка зеленой энергии.

Морская вода — неиссякаемый источник энергии

«Литр морской воды, если его поджечь, заменяет бочку бензина»,— любят говорить физики. Речь идет о том, что в морской воде есть изотоп водорода — дейтерий — всего пятнадцать тысячных одного процента, или 0,015% от количества водорода, который содержится в этой воде. Но даже этого ничтожного количества хватит, чтобы выделить то тепло, что мы получаем от сжигания бочки бензина. Достаточно освоить процесс термоядерного синтеза — и запасов энергии человечеству хватит на 15 миллиардов лет!

Альтернативные источники энергии представляют ценность в первую очередь не из-за своей мнимой экологичности, а из-за отсутствия потребности в углеводородном топливе, приводящем к выбросам парниковых газов — углекислого газа и метана. Добыча углеводородов в обозримом будущем станет неокупаемой из-за глубины залегания нефти на оставшихся месторождениях. Интенсивность использования источников энергии растет, а глубина залегания новых месторождений увеличивается, что существенно снижает рентабельность их добычи.

Энергетический кризис, по экспертным оценкам, человечеству предстоит испытать уже через 150–200 лет. Если учесть, что тема термоядерной энергетики исследуется уже около сотни лет, то времени на достижение реальных практических результатов осталось не так уж много. Термоядерное топливо при всей капризности и кажущейся недостижимости технологий может навсегда решить вопрос энергообеспечения нашей планеты. Так что человечеству есть за что бороться.

Ожидаемые сроки исчерпания разведанных запасов горючих ископаемых при нынешних темпах потребления:

Мария Роговая