Энергия звезд: что такое термоядерный реактор и с чем его едят сегодня

Обратная сторона ядерной энергетики — ее опасность. Да, конструкция реакторов постоянно совершенствуется, но принцип работы остается неизменным. А значит, сохраняется риск очень опасных аварий и проблема вредных отходов, о чем постоянно помнят как ученые, так и те, кого в свое время эта опасность коснулась напрямую. Альтернативой традиционной атомной энергетике видится освоение не расщепления, а, наоборот, слияния ядер. Вот только время, когда АЭС можно будет закрывать за ненадобностью и моральным устареванием, постоянно откладывается, и состояние дел смахивает на мираж, постоянно отдаляющийся от путника.

НЕМНОГО ШКОЛЬНОЙ ФИЗИКИ: зачем нужна температура в 150 миллионов градусов

Чтобы понять принцип работы термоядерного реактора, представим ситуацию: каким-то образом нам удалось приблизить вплотную друг к другу ядра дейтерия и трития. Не пугайтесь — это разновидности (изотопы) всем известного водорода. Отличаются они только количеством нейтронов в ядре: у дейтерия — один, у трития — два. Так вот, если приблизить ядра вплотную (вообще-то они категорически возражают против подобного насилия и отталкиваются), то начинают действовать особые процессы, так называемое сильное взаимодействие. В результате слияния образуется ядро гелия и выделяется огромное количество энергии — намного больше, чем при расщеплении ядер урана.

Осталась сущая "ерунда” — найти способ преодолеть взаимное отталкивание. Наука давно узнала способ, как этот сделать: ядра нужно хорошенько разогнать и столкнуть. А когда скорость атомов больше? Правильно, когда выше температура. Поэтому термоядерный синтез так и назвали — ведь он основан на нагреве вещества до невероятных температур. Заметим, что природа создала термоядерные реакторы миллиарды лет назад: речь идет о звездах, включая Солнце. В центре звезды температура доходит до 15 млн градусов. Но здесь играет роль не только температура, но и колоссальная плотность звезды, когда в силу вступает гравитация. Не будь такой гигантской массы (в 333 тысячи раз тяжелее Земли), температура нужна была бы в 10 раз больше. Так что в условиях Земли инженерам пришлось найти способ получать эти самые 150 млн градусов.

ГОНКА ЗА ЭНЕРГИЕЙ: от "царь-бомбы” до ITER

Когда хочется сильно съязвить по поводу дремучести "совка”, то стоит вспомнить, что "совок” принес в науку и технику слова "токамак” и "спутник”. И если со спутником все понятно, то что означает первый термин?

После войны США и СССР вплотную занялись оружием на основе термоядерного синтеза. Для создания нужных температур и давлений применялся ядерный взрыв: он "зажигал” термоядерную реакцию в бомбе. Апофеозом гонки стали испытания советской "царь-бомбы” мощностью 58 Мт в 1961 году над необитаемой Новой Землей. Да, жуткое было действо (в Хиросиме американцы применили "всего лишь” 20 Кт, и погибло больше 100 тысяч японцев). Однако воинственные позывы со стороны США с тех пор заметно поутихли.

Макет советской "Царь-бомбы” — самого мощного боеприпаса на планете.

Что касается мирного применения термоядерного синтеза, то здесь все не так однозначно. Оказалось, что создать "печку” для разогрева изотопов невозможно: нет во Вселенной такого материала, который мог бы выдержать температуры в миллионы градусов. Требовалось нечто принципиально новое. В 1950-х годах одна и та же мысль посетила несколько умных голов, но пальма первенства и изящество решения принадлежат советской школе физики. Более конкретно — Олегу Лаврентьеву, Андрею Сахарову, Игорю Тамму. Они предложили поместить плазму (раскаленный ионизированный газ) в вакуум. А чтобы огненный сгусток не касался стенок, удерживать его магнитным полем. Камера имела форму пустотелого тора (проще говоря — бублика), окруженного магнитами. По оси "бублика” висит шнур плазмы, "закованный” в магнитное поле. Эту конструкция прозвали "токамак” (ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками), и она является ключевым звеном и по сей день.
Заметим, что разрабатываются и другие подходы. В Германии построен экспериментальный реактор Wendelstein 7-X типа стелларатор (для непросвещенного взгляда отличается от токамака только формой вакуумной камеры в виде "измятого бублика”). США реализуют проект NIF, где розжиг термоядерной реакции проводится лазерами. Увы, на этих направлениях достижений негусто.

ВСЕ ВМЕСТЕ. За 60 лет токамаки создали во многих развитых странах. Но прорыва, о котором мечталось в 1960-х, не случилось, хотя удалось преодолеть массу частных трудностей.

Еще в 1980-е появилось осознание того, что разработка промышленного реактора не по карману одной, даже самой богатой стране. И в 1985 г. на встрече Горбачева и Рейгана родился проект ITER — создание устройства нового поколения. Только проектирование заняло 20 лет. Сегодня ITER (ключевые участники — ЕС, Россия, США, Япония, Южная Корея, КНР) воплощается в жизнь возле г. Кадараш на юге Франции. Для него уже завершено строительство одной из самых больших платформ, созданных человеком (1000x420 м). На нее пошло 15 тыс. куб. м бетона, 16 тыс. т арматуры, 439 колонн с особым резинометаллическим антисейсмичным покрытием. Но и эта циклопическая конструкция — всего лишь основа для токамака весом 36 тысяч тонн, напичканного современным оборудованием. Увы, важнейший для цивилизации проект постоянно тормозится. Он такой масштабный и дорогой, что крайне чувствителен к способности участников договариваться и финансировать работы. С 2004 г. стоимость ITER выросла c 5 до 16 млрд евро, а запуск перенесен с 2010 на 2020 г. Но прорыва, видимо, опять не будет. По словам гендиректора ITER Осаму Мотоджима, термоядерный синтез позволит получить всего лишь 500 МВт к 2027 г. Для сравнения — Запорожская АЭС имеет мощность 6 тыс. МВт.

Гигант. Строительсвто платформы для будущего реактора возле города Кадараш на юге Франции.

Меткое описание ситуации с термоядерными реакторами дал однажды наш эксперт в области ядерной энерегетики, доктор физико-математических наук Людвиг Литвинский: "Когда я был 17-летним мальчишкой, который поступал в университет, я слышал, что вот еще 5—7 лет, — и прототип реактора будет реализован в железе. Когда поступал в аспирантуру, то слышал, что еще 5—7 лет — и прототип в железе будет построен. Когда бросил заниматься фундаментальной физикой и перешел в энергетику, слышал то же самое. На мой взгляд, временные сроки для синтеза — это не одно десятилетие. Но в "прекрасном далеко” синтез все равно реализуют”. Как объяснил эксперт, Украина, пусть и скромно, но участвует в проекте ITER. "По синтезу работают теоретики. У нас сильная школа в Институте ядерных исследований. Даже если технологии не будут реализованы, такое участие способствует развитию национального интеллекта, росту специалистов”, — считает Литвинский.

ВЫГОДЫ СИНТЕЗА

Важнейший соблазн, ради которого государства платят за исследования в области термоядерного синтеза, — шанс получить практически неисчерпаемый источник энергии. Второй, не менее значимый аргумент, — надежда на избавление от постоянно растущей горы радиоактивных отходов, которые стали огромной головной болью АЭС. О загрязнениях местности в случае ЧП после Чернобыля и Фукусимы и вспоминать не хочется. А вот при работе термоядерного реактора вместо бесполезных и страшно "фонящих” отходов образуется инертный газ гелий, которому есть множество применений в быту и народном хозяйстве.

Случись авария, такой реактор не пойдет вразнос: в силу конструкции все процессы внутри него мгновенно прекратятся. Да, детали будут "фонить”, но уровень не идет ни в какое сравнение с излучением на урановых реакторах. Наконец, новые реакторы дают надежду на создание нового типа двигателей для космических кораблей.