Взгляд изнутри на JET — крупнейшую в мире испытательную установку для термоядерного синтеза (изображение: EUROfusion) | Epoch Times Россия
Взгляд изнутри на JET — крупнейшую в мире испытательную установку для термоядерного синтеза (изображение: EUROfusion)

Проблемы энергетики: пути управления термоядерным синтезом

До недавнего времени идея создания источника энергии, имитирующего работу Солнца, звучала как научная фантастика
Автор: 01.07.2022 Обновлено: 01.07.2022 06:45
Бесчисленное количество опытных учёных трудятся над созданием ядерного реактора, который будет работать по принципам реакций Солнца. Профессор Стивен Коули, заведующий лабораторией физики плазмы в Принстонском университете, и профессор Тони Донне, координирующий исследовательские усилия десятков лабораторий, в специальном интервью рассказали, что новая технология может изменить энергетическую историю человечества.

На протяжении тысячелетий учёные задавались вопросом: что является источником солнечной энергии. Анаксагор, греческий философ и астроном V века до н. э., описал Солнце как горящую металлическую сферу. В середине XIX века было распространено мнение, что интенсивные гравитационные силы на Солнце заставляют большое количество его материи всё больше и больше сжиматься и нагреваться, а следовательно и светиться.

Только после того, как в 1905 году была опубликована теория относительности Эйнштейна, учёные постепенно поняли, как Солнце выделяет такую большую энергию. Уравнение E = mc2, одно из важных открытий теории относительности, говорит о том, что массу (m) можно преобразовать в энергию (E). Большое количество энергии. Согласно уравнению, масса одного грамма может превратиться в 90 триллионов джоулей (единица измерения энергии).

Британский астрофизик сэр Артур Эддингтон был одним из первых, кто понял значение теории относительности. В лекции, которую он прочитал на ежегодной конференции Британской ассоциации содействия развитию науки в 1920 году, он впервые предложил решение относительно источника солнечной энергии. Это решение актуально и по сей день. Эддингтон утверждал, что при высоких температурах в центре Солнца происходит процесс, известный как ядерный синтез.

Во время этого процесса масса преобразуется в энергию, которая испускается в соответствии с уравнением Эйнштейна. При этом вещество появляется уже не в знакомых нам агрегатных состояниях — твёрдом, жидком или газообразном, — а в четвёртом агрегатном состоянии, называемом плазмой.

Эддингтон выразил надежду, что однажды человечество научится использовать такую энергию себе во благо, но предупредил, что её использование может иметь негативные последствия и привести к «самоубийству человеческого рода». Никто точно не знает, что имел в виду Эддингтон, но, по-видимому, в своих замечаниях он предостерёг человечество от разработки бомб, действия которых основаны на процессах ядерного синтеза, таких как водородные бомбы, разрабатывающиеся и использующиеся с некоторых пор.

Эддингтон вдохновил учёных, пришедших после него, на разработку совершенного источника энергии в технологии ядерного синтеза.

«Если вы спросите себя, что такое идеальный источник энергии, то это будет источник, из которого можно получить почти неограниченный запас энергии, — такой, которого хватит даже на время существования Земли, — сказал физик, профессор Стивен Коули из Принстонского университета, работающий в своей лаборатории над разработкой такой технологии. — Такой источник энергии должен иметь минимальное воздействие на окружающую среду, занимать минимум места и позволять нам отключать его, когда мы захотим. Сегодня почти каждый источник энергии, о котором мы только можем подумать, не соответствует хотя бы одному из этих критериев».

В своём сообщении профессор Коули имел в виду возобновляемые источники энергии, такие как ветряные турбины и солнечные панели, которые внедряются всё в большем количестве стран. По его словам, именно тогда, когда энергия нужна больше всего, многие страны сталкиваются с проблемами, вызванными нестабильностью энергоснабжения.

«В Великобритании декабрь — сумасшедший месяц. Можно было бы ожидать, что в декабре в Великобритании будет сильный ветер, который используется для работы большинства станций возобновляемой энергии. Но на практике оказывается, что в этом месяце ветер небольшой, однако очень холодно и очень высокий спрос на электроэнергию. Чтобы иметь систему, которая в декабре может поставлять электроэнергию, нам нужно сэкономить энергию, которая будет вырабатываться в течение предшествующих месяцев. А у нас такой возможности нет».

Наряду с ветряными турбинами и солнечными панелями по всей Европе и Северной Америке работают также атомные электростанции. Они обеспечивают стабильную и недорогую энергию, но есть опасения по поводу их безопасности. Атомные электростанции основаны на процессах ядерного деления, в которых тяжёлый атом, такой как уран, распадается на более лёгкие элементы и высвобождает большое количество энергии. Продукты процесса радиоактивны и могут быть опасны для людей и окружающей среды, особенно при выходе из строя реактора.

Такие учёные, как профессор Коули, в течение многих лет пытаются решить эти проблемы. Они знают, что решение кроется в накопленных с середины прошлого века результатах попыток воспроизвести процесс производства энергии, аналогичный тому, который происходит на Солнце.

«Здесь, в Принстоне, в 1951 году, около 70 лет назад, они начали серьёзно думать об этом, — говорит профессор Коули, руководитель университетской лаборатории физики плазмы — одной из самых важных лабораторий в области освоения солнечной энергии. — Мой научный руководитель думал, что в конце 1950-х годов они смогут разработать ядерный плавильный котёл, завершить эту миссию и заняться другими делами. С тех пор поколение за поколением физиков всё ещё пытаются разрешить эту задачу».

Однако 21 декабря 2021 года учёные добились прорыва на испытательном стенде JET (Joint European Torus) — крупнейшем в мире плавильном котле, расположенном на юге Англии, на территории Британского управления по атомной энергии. Во время пятисекундного реакторного эксперимента — рекордное время в истории исследований в этой области — они смогли произвести энергию в количестве в 59 мегаджоулей. Хотя это не особенно большое количество, примерно столько же, сколько требуется для кипячения воды в 60 полных чайниках, оно в 2,5 раза больше, чем пик (22 мегаджоуля), достигнутый в 1997 году в ходе предыдущего эксперимента.

— На самом деле это максимум, который может позволить JET.

«Эта установка не рассчитана на длительную эксплуатацию. Когда в 1980-х годах разрабатывалась установка JET, целью было действительно осуществить синтез. Сейчас на юге Франции планируется ещё один эксперимент, предполагающий эксплуатацию в течение длительного времени более совершенной установки — ITER», — сообщает учёный.

— Сколько?

«С физической точки зрения, если исследователи смогут поддержать там стабильный процесс синтеза в течение 20 минут, то можно будет поддерживать процесс и в течение пяти дней. Это будет последний научный этап, прежде чем можно будет решить, идти ли дальше», — объясняет Коули.

Наука войдёт в историю

В 1950-х годах различные страны, такие как СССР, США, Великобритания, Япония и другие, уже начали свои усилия по использованию ядерного синтеза для производства энергии. Но было обнаружено, что, если вы хотите, чтобы процессы плавки оставались стабильными во времени, то это будет намного сложнее, в отличие от процессов, происходящих во время взрыва бомб.

Прорыв был достигнут в конце 1950-х годов с использованием Токамака (Tokamak) — технологии ядерного синтеза, разработанной в СССР и основанной на сильном магнитном поле в центре реактора. Многие из устройств, применяемые с тех пор по всему миру, являются воплощением этой технологии.

«В 1990-х годах ряд машин начал работать в полном формате, например, установка JET в Англии и машина, которая в то время работала здесь, в Принстонском университете», — рассказывает профессор Коули.

В 1994 году Принстонской установке удалось установить мировой рекорд, когда она произвела 10,7 млн ватт в процессе синтеза, который длился около секунды. Ещё один рекорд был побит тем же объектом год спустя, когда удалось достичь температуры около 500 млн °С, что намного превышает 100 млн градусов, необходимых для ядерного синтеза на Земле. В 1997 году установка JET в Англии побила ещё один рекорд и произвела 22 мегаджоуля энергии. Как уже упоминалось, в декабре прошлого года этот рекорд был побит снова.

Установка ITER, построенная на юге Франции, является прямым продолжением этих успехов.

«Объект, построенный там, представляет собой удивительную инженерную работу. Это один из замечательных международных проектов, которые когда-нибудь осуществлялись. Объект очень дорогой, огромный и сложный», — говорит профессор Коули.

— С какими проблемами вы сейчас сталкиваетесь на пути к тому, чтобы заставить технологии работать?

«Одна из проблем заключается в том, что на всех объектах, которые существуют сегодня, мы всё ещё должны обеспечить источник тепла, чтобы синтез продолжал работать, — говорит профессор. — Это похоже на спичку, которую нужно поддерживать горящей, чтобы огонь мог продолжать существовать. Таким образом, реальный вопрос, с которым мы столкнёмся на объекте ITER, будет заключаться в том, сможем ли мы удалить все источники тепла, чтобы термоядерный синтез смог продолжить работу сам по себе. Наука войдёт в историю, когда будет продолжаться реакция горения. Нам говорят, что этот, и тот, и ещё тот источники тепла можно погасить, но он будет продолжать горение и без них.

Сегодня у нас есть восемь источников энергии, которые мы можем включать и выключать, подобно древесине, которую подбрасывают в огонь. Мы можем добавить, например, замороженный дейтерий (один из компонентов топлива реактора). Добавляем его, и продолжается горение, плавление усиливается и сжигает это топливо. Будет интересно посмотреть, как долго мы сможем контролировать этот процесс и работать с этой системой.

Но самая большая проблема будет заключаться в том, чтобы иметь возможность контролировать всю эту систему, чтобы мы могли преобразовать термоядерный синтез в электричество. Термоядерный синтез производит тепло. Мы планируем с его помощью кипятить воду, а вода будет создавать пар, который будет вращать турбины, вырабатывающие электроэнергию».

Профессор Тони Донне, голландский физик-ядерщик, на протяжении многих лет возглавлял ряд европейских исследовательских групп, специализирующихся на ядерном синтезе. В 2014 году был создан консорциум EUROfusion, координирующий исследовательскую деятельность 30 национальных лабораторий в 28 европейских странах, и профессор Донне был назначен программным директором консорциума.

В интервью он рассказал, что при всех преимуществах ITER, чтобы иметь возможность генерировать электроэнергию, действительно нужна установка, которая может работать постоянно, а не только 20 минут — продолжительность времени, в течение которого ITER предположительно может работать непрерывно.

«ITER не производит электроэнергию. Для этого мы работаем с нашим консорциумом над будущим проектом под названием Demo. Это будет электрический реактор, который произведёт начальную демонстрацию процесса», — говорит профессор.

— Как работает электрический реактор?

«Для запуска синтеза в реакторе мы используем два компонента, которые являются своего рода топливом, управляющим всем процессом, — говорит Тони Донне. — Один из них — дейтерий, который химически подобен обычному водороду, но в два раза тяжелее его. Второй — тритий, который тоже химически подобен водороду, но тяжелее втрое. Тритий — нестабильное радиоактивное вещество, период полураспада которого составляет 12 с половиной лет. То есть через 12,5 года половина его атомов распадётся. Поэтому любой тритий на планете со временем распадётся, к тому же его трудно найти».

«Для эксперимента, проведённого в декабре прошлого года, тритий был закуплен в Канаде, — рассказывает профессор Донне. — Однако в долгосрочной перспективе, если нам удастся создать термоядерный синтез и у нас будет много реакторов, нам придётся самостоятельно разрабатывать способы производства трития. Тритий — очень редкий и очень дорогой материал. Во всём мире его коммерческое количество — всего 20 или 25 кг. Так что пока мы не хотим проводить эксперименты с настоящим топливом слишком часто».

Когда дейтерий и тритий выдерживают при высоком давлении и нагреве, они изменяют накопленное состояние и становятся плазмой. В этом состоянии часть ядер атомов вещества сталкивается друг с другом, а часть сливаются в новое ядро — гелий. Важна общая картина. В общем видно, что в конце процесса масса материи, которая остаётся, меньше, чем масса материи в начале, и, согласно уравнению Эйнштейна, исчезающая масса превращается в энергию.

«У образовавшегося гелия много энергии, — говорит профессор Коули. — Он летает вокруг плазмы, сталкивается с дейтерием и тритием, а также делает их более энергетическими, так что там становится горячее. Это тепло способствует тому, что расплав может нагреваться сам, как огонь. Когда он горит, процесс плавления продолжается. Как уже упоминалось, ещё нигде не смогли этого сделать, но мы приближаемся к этому».

Для поддержания тепла и давления внутри реактора на высоком уровне объём плазмы должен быть ограничен. «Используя сильное магнитное поле, которое мы создаём с помощью медных катушек, мы можем улавливать плазму и удалять её частицы от стенок реактора, — говорит профессор Донне. — В эту тему было вложено много усилий. Если мы запустим установку с максимальной производительностью, через пять секунд медные катушки нагреются, и тогда нам придётся их охлаждать».

Профессор Донна объясняет, что в реакторе они сделали ещё одну важную вещь. Они поместили литий в его стенку. Когда происходит синтез, из него испускается нейтральный нейтрон. Его нейтральность позволяет ему обходить магнитное поле, предназначенное для улавливания плазмы, и он таким образом достигает стенок, где встречается с литием. В результате столкновения между ними образуется тритий — тот самый редкий и дорогой материал, необходимый для запуска процесса синтеза.

«Идея состоит в том, что мы наполняем стенку литием, чтобы реактор мог производить своё тритиевое топливо. Мы создаём замкнутый круг. Кроме того, когда при работе реактора образуется чуть больше трития, чем количество, используемое в реакторе, он одновременно может запускать другие реакторы», — рассказывает профессор Донне.

Последним этапом процесса является выработка самой электроэнергии.

«Нейтрон, испускаемый стеной, содержит много энергии. Когда он ударяется о стену, он нагревает её, может быть, даже до 600 градусов. Затем стена охлаждается жидкостью, похожей на воду, и эта горячая вода производит пар, который, как и на других энергетических станциях, используется для производства электроэнергии», — объясняет профессор Коули.

Как уже упоминалось, производство электроэнергии будет осуществляться не в реакторе ITER, а при помощи проекта будущего: в реакторе, который также производит электричество, под названием Demo.

— Каковы графики всего этого процесса?

«С JET мы более или менее достигли максимума того, что можно было сделать, — объясняет профессор Донне. — Следующий шаг — установка ITER, международного исследовательского реактора, который в настоящее время строится на юге Франции с участием США, России, Южной Кореи, Индии, Японии, Китая и ЕС. По моим оценкам, он, как ожидается, начнёт свою деятельность примерно через пять лет. После этого ITER перейдёт в процесс Demo. В настоящее время мы работаем над графиками, согласно которым мы сможем вырабатывать электроэнергию для сети примерно к 2050 году».

— То есть ещё нужно пройти длинный путь?

«Правда, впереди ещё долгий путь, — говорит профессор Донне. — Но я думаю, что самый важный вывод из последнего эксперимента заключается в том, что теоретические модели, которые мы разработали, действительно верны: они дают правильные прогнозы, а также подтверждают, что ITER может достичь цели его использования, т. е. произвести больше энергии (в 10 раз) от количества энергии, которое будет вложено в процесс».

Возможно, другие смогут быть более быстрыми

Возможно, другие проекты в мире смогут немного опередить разработку этого проекта. Профессор Донне говорит, что национальные лаборатории в США, Китае, Японии и Южной Корее продвигают проекты, подобные европейскому Demo, с целью продолжения исследовательской деятельности на установке ITER по времени, аналогичному графику на Demo.

«Я думаю, что Япония и Южная Корея говорят о времени, параллельном Demo. Есть группы, которые говорят о 40 годах для создания меньшего по размеру устройства, я думаю, что они очень оптимистичны», — добавляет он.

Между тем, лаборатория физики плазмы Принстонского университета, возглавляемая профессором Коули, работает над несколько иной технологией, чем установки Токамака. В его основе тоже мощные магниты, которые будут улавливать плазму, но это уже другие магниты, с особой трёхмерной конструкцией.

«Идея впервые возникла здесь, в Принстоне, в 1950-х годах, — объясняет профессор Коули, — проект называется Stellarator. Благодаря созданию уникального магнитного поля не требуется электрический ток для сжатия плазмы, поэтому она остаётся в полностью стабильном состоянии и не взрывается.

Проблема была в том, что эта идея опередила своё время. В те дни не знали, как спроектировать такое высокоточное трёхмерное магнитное поле. С тех пор мы научились его проектировать, и в Германии мы построили машину на основе этой технологии под названием Wendelstein 7-X. Это потрясающий дизайн, и он абсолютно стабилен».

Другой проект принадлежит частной компании Commonwealth Fusion Systems из Массачусетса, США. Это частная компания, которая извлекает выгоду из инвестиций Билла Гейтса, Джеффа Безоса и многих других. В партнёрстве с Центром плазмы и ядерного синтеза Массачусетского технологического института в начале сентября 2021 года компания объявила об успехе важного эксперимента, в ходе которого они испытали мощные магниты, предназначенные для использования в созданной ими установке Токамак.

«Мир меняется, нет недостатка в частном финансировании термоядерного синтеза. Люди хотят, чтобы он развивался намного быстрее, чем ITER. Например, компания, которая возникла в Массачусетском технологическом институте, пытается создать версию ITER, которая будет иметь мощное магнитное поле. Они намерены запустить ITER в срок», — говорит мне профессор Коули.

— Безопасна ли энергия ядерного синтеза?

«Намного больше, чем атомные электростанции, которые существуют сегодня», — кратко отвечает профессор Коули. Профессор Донне уточняет: «Синтез безопасен по нескольким причинам: во-первых, в нём нет цепной реакции, как в процессах ядерного деления, поэтому процессы, подобные тем, что могут происходить в существующих реакторах сегодня, не будут происходить. Это связано с тем, что в реактор синтеза постоянно нужно добавлять определённое количество топлива. Как только вы перестанете это делать, синтез прекратится.

Другое дело тритий — это изотоп водорода, поэтому он может быть частью молекулы воды. Это означает, что организм легко вымывает его с потом или мочой. Он не остаётся в организме, как радиоактивные вещества из ядерных реакторов расщепления, которые опасны для жизни. Конечно, он радиоактивный. Количество трития в реакторе составляет несколько граммов, поэтому, даже если он выйдет за пределы помещения, он быстро рассеется с ветром».

— Можно ли сказать, что это чистая энергия, которая ничего не загрязняет?

«Да, так можно сказать, потому что продуктом процесса является гелий, и его количество настолько мало, что мы едва ли изменим количество гелия на Земле. А даже если и изменим, гелий — благородный газ, нерадиоактивный и не вызывает глобального потепления, в конце концов, мы наполняем им воздушные шары на дни рождения», — отвечает профессор Коули.

Комментарии
Дорогие читатели,

мы приветствуем любые комментарии, кроме нецензурных.
Раздел модерируется вручную, неподобающие сообщения не будут опубликованы.

С наилучшими пожеланиями, редакция The Epoch Times

Упражения Фалунь Дафа
ВЫБОР РЕДАКТОРА