Введение в термоядерный реактор
Идея выработки энергии на основе «обратного деления», основанная на разности масс, увлекла физиков много лет назад. Проблемой первых термоядерных реакторов или, точнее, того, что было на них похоже, оставалось не только высокое энергопотребление, но и отсутствие реальных результатов.
Для упрощения понимания физики процесса нужно сказать, что термоядерный реактор работает не так, как традиционная АЭС. Внутри термоядерного реактора (токамака) с помощью электричества разогревается специальный газ, который удерживается в тепловом контуре специальными особо мощными магнитами.
Главная проблема термоядерного реактора состоит в том, что температура газа, разогретого до состояния плазмы, значительно превышает температуру на поверхности Солнца. Показательным примером в этом смысле является китайский термоядерный реактор. Внутри токамака EAST, прозванного «китайским искусственным солнцем», учёные разогрели плазму до ста миллионов градусов. В недрах Солнца газ разогревается всего лишь до 15 млн градусов.
Ни один из существующих материалов длительный нагрев такой температурой выдержать не может — любой, даже самый прочный сплав, созданный в секретных военных лабораториях, деформируется и превратится в пыль, если реакцию чуть-чуть «передержать». Именно по этой причине термоядерная реакция на данном этапе не длится больше минуты. Китайским учёным, по большому счёту, повезло — они смогли удержать плазму и получить некоторое количество энергии в течение 100 секунд, но затем аварийная защита реактора отключила комплекс из-за перегрева.
Больше фотографий термоядерного китайского Солнца смотрите в нашей галерее:
Должен быть маленьким
Портативный термоядерный реактор, который работает на мусорном топливе прямо на борту «ДеЛориана» в фильме «Назад в будущее» — по своей сути не такая уж беспочвенная технологическая выдумка. Фактически, концепция, описанная в фильме, представляет собой идеальную потребительскую модель продукта будущего. Но для того, чтобы создать маленький и портативный реактор, нужно сначала достроить большой, и заставить его работать так, как нужно.
В 2020 году во Франции, несмотря на мировую пандемию коронавируса, началась окончательная сборка корпусов первого термоядерного реактора ITER. Ключевым элементом реактора должен стать герметичный криостат и вакуумная камера, внутри которых будет поддерживаться процесс термоядерного синтеза. Закончить сборку обещают к 2025 году, а первый пуск намечен на 2026–2027 год.
ITER, по мнению многих учёных, — это проект, который обязательно провалится, но закрывать который категорически нельзя. Но тут важно понять, что международные распри даже внутри ЕС и научного сообщества в целом влияют на то, как понимают проблему и устройство термоядерного реактора в мире.
Судите сами. Международная группа учёных, включая российских специалистов, десяток лет доводит ITER до совершенства и не меняют конструкцию «кольцевого» реактора. А потом появляются британские учёные, которые говорят, что сферический реактор проще, лучше, дешевле, эффективнее, и несколько раз демонстрируют расчёты потенциального КПД.
К слову, британцы, считающие ITER бесперспективным, испытывают сразу три реактора разных типов. Первый — Tokamak Energy, основан на классическом понимании принципа получения термоядерной энергии и в некотором смысле копирует решения ITER, только в слегка измененном виде.
Второй — совместное решение британского Минэнерго и компании Westinghouse, основанное на быстром реакторе со свинцовым охлаждением.
Третий — небольшой высокотемпературный реактор U-Battery с газовым охлаждением. Он максимально приближен к тому, что демонстрировал Эммет Браун в фильме «Назад в будущее».
Профессор физики Войцех Ковалик пояснил, что из-за такой неразберихи у научного сообщества нет точного понимания и единой концепции развития.
«Конечно не будет никакого коммерческого решения ещё лет 30, не меньше. Не развита сама технология, несмотря на суперкомпьютеры и глубокое понимание механизмов, по которым плазма взаимодействует с реактором. Наука сейчас лишь на первой ступени в истории с термоядерным синтезом. ITER делу не поможет — это большая лаборатория, постройка которой поможет понять, ошибались ученые в понимании плазмы или нет», — говорит Ковалик.
В таких условиях, по словам Ковалика, нет смысла рассуждать ни о больших, ни тем более о маленьких портативных реакторах. Единственным существующим решением в этой области, по словам Ковалика, остается реактор Тони Старка из фильма «Железный человек», хотя и ту технологию дальше эксперимента никуда не выводили.
В теории создания портативного термоядерного реактора максимально преуспел американский физик Сальваторе Сезар Пайс (Salvatore Cezar Pais) из авиационного дивизиона Военно-морского военного центра. Он запатентовал технологию нагрева и удержания плазмы в тепловом контуре с помощью динамического фузора. Устройства, которое быстро вращаются и сильно вибрируют внутри камеры, создавая «концентрированный поток магнитной энергии» (concentrated magnetic energy flux). Но почти сразу публикаций статьи об этом открытии патент засекретили.
Топливное бешенство
Нет общего мнения и по части топлива, которым нужно «топить» термоядерные реакторы. «Свидетели секты изотопов гелия» считают, что сжигание гелия-3 в топке термоядерного реактора первого поколения — это решение на 200–300 лет, пока не придумают что-нибудь получше. Реалисты отвечают расчётами стоимости добычи гелия-3 в лунном грунте и стоимости его доставки на Землю.
Наиболее перспективными в данный момент считают два вида топливных пар: дейтерий-тритий, и гелий-3-бор. Первый вид топлива считается предпочтительным для использования в «базовых» реакторах на начальной стадии развития технологий, вторая топливная сборка понадобится, когда «термояд» освоят в промышленных масштабах.
Но совсем недавно физики из МТИ протестировали третий вид топлива: дейтерий-водородную топливную сборку, в которую добавляется специальная «присадка». В качестве последней используется хорошо знакомый сторонникам лунной колонизации гелий-3. Изотоп гелия, как выяснилось в ходе экспериментов, ускоряет реакцию и облегчает «течение» плазмы внутри стенок реактора.
В новом типе топлива концентрация гелия-3 составляет меньше одного процента. Но именно ионы газа ускоряют реакцию и снижают количество электроэнергии, необходимой, чтобы «поджечь» термоядерную реакцию.
Главная проблема состоит в том, что практического применения ни одна из этих топливных сборок, как и сами реакторы, могут не увидеть. Сложность кроется там, где всегда рождается множество споров. Бюрократические тонкости и разногласия учёных привели к тому, что до сих пор ни одной страной мира, ни ведущими агентствами по ядерной энергетике (например, МАГАТЭ) не утверждены рекомендованные к испытаниям термоядерные реакторы.
По существу, даже ITER, строительство которого обошлось в 45 млрд евро, представляет собой очень дорогую и рискованную попытку понять, как можно обуздать и подчинить термоядерный синтез. В случае, если термоядерная реакция выйдет из-под контроля и земли недалеко от курортного Марселя превратятся в семипалатинский ядерный полигон, ошибку постараются списать на кого-то одного, а не на научное сообщество в целом. Именно по этой причине прогресса с получением «чистой энергии» не удаётся достичь много лет.
