Ян Кевишс,
физик, магистрант Даугавпилсского университета
Мы уже десятки лет используем высоко концентрированную энергию атомного ядра. Один килограмм урана-235 теоретически может произвести столько энергии, сколько 1,5 миллиона килограммов (1 500 тонн) угля. При этом мы не должны забывать про огромные выбросы CO2 при сжигании угля. Причина такой огромной разницы в том, что это принципиально разные физические процессы. Для урана это распад атомного ядра, для угля — химический процесс окисления. При ядерном распаде урана образуются химические элементы из середины таблицы Менделеева, а также выделяется энергия, что и является нашей целью.
К сожалению, атомная энергетика себя дискредитировала, аварии на АЭС Три-Майл-Айленд, Фукусиме и, конечно, Чернобыле, с миллионами пострадавших, создали атомной энергетике негативный имидж. Поэтому человечество посматривает на ядерную энергетику с опаской.
Но подождите, у процесса распада есть и обратный процесс, синтез. Процесс, при котором более лёгкие атомные ядра сливаются в более тяжёлые и при этом также выделяется энергия. Такое слияние происходит при тепловом движении, а значит, нам понадобится большая температура и большое давление. Термоядерный синтез непрерывно происходит в недрах солнца, где под действием огромных температур и давления, обеспечивающих силами гравитации, происходит слияние ядер атомов водорода в атомы гелия. При этом выделяется огромное количество энергии, которого хватает на поддержание процесса синтеза, а также на то, чтобы согревать и наполнять светом планеты.
Способны ли мы на что-то подобное на земле? Да, и это уже было сделано, но, к несчастью, в виде оружия.
1 ноября 1952 года США осуществили взрыв с использованием термоядерной реакции. А 30 октября 1961 года СССР произвели подрыв той самой 58-ми мегатонной царь-бомбы, взрывная волна которой трижды обогнула землю и является мощнейшими созданным взрывным устройством. Как мы видим — потенциал огромен. Взрыв является неконтролируемой реакцией, потому и столь разрушительной. Для использования в мирных целях реакция синтеза должна быть управляема, и при её протекании должен происходить отбор и дальнейшее использование выделяемой энергии и продуктов реакции.
Как мы уже выяснили, для протекания синтеза необходимо давление и температура. Температуру мы способны получить в 20 раз больше, чем в солнечном ядре. Для этого взаимодействующее вещество необходимо разогреть до состояния плазмы. Плазма — очень капризное состояние вещества, которое существует при температуре в миллионы градусов, подвержено турбулентности и нестабильна по другим параметрам. Для манипуляции с плазмой используются устройства магнитного удержания. За счёт того, что плазма представляет собой положительно заряженные ионы и свободные электроны, плазма взаимодействует с магнитным полем, в котором и удерживается.
Наиболее распространёнными термоядерными реакторами такого типа являются токамаки (тороидальная камера с магнитными катушками) и стеллараторы (название происходит от лат. stella — звезда).
Остановимся подробнее на токамаках. Впервые предложения об использовании управляемого термоядерного синтеза при помощи токамаков сформулировали в СССР в начале 50-х годов советские физике О. А. Лаврентьев, А. Д. Сахаров и И. Е. Тамм. Первый токамак построили в 1954 году. Скорость того, как быстро реализован проект, говорит о том, насколько перспективным его считали. После того, как результаты обнародовали для учёных всего мира, начался бум токамаков. В данный момент в мире насчитывается 60 токамаков и 10 стеллараторов. К сожалению, ни на одном из них не вырабатывается энергия, которая превышала бы энергию, затрачиваемую на запуск процесса реакции. Кроме того, плазма оказалась очень капризной и удержать её на долгий период времени не получается.
Как мы видим, задача оказалось сверхсложной для отдельных стран. Поэтому в 80-х годах прошлого века начал разработку международный проект по строительству экспериментального термоядерного реактора ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Что примечательно, ITER c латинского значит «путь».
В 1992 году было подписан договор между ЕС, Россией, США и Японией о сотрудничестве. В 2005 закончено проектирование, и в 2010 году в Французском Карадаше началось строительство реактора.
Необходимо понимать, что данный объект — экспериментальный, и даже не предусматривается для выработки электроэнергии. На ITER будет изучаться физика плазмы, физика взаимодействия ядер, изучение материалов и многие другие физические явления и решения сложных инженерных задач. Результатом должны стать знания и технологии, которые будет возможно использовать при производстве реакторов будущего. Например, уже идёт речь о производстве реактора DEMO (DEMOnstration Power Plant), который будет способен продемонстрировать коммерческое использование термоядерной энергетики.
Термоядерная энергетика — энергетика будущего. Топливо для этих реакторов практически неиссякаемое. Используемый дейтерий можно добывать из морской воды, тритий производится на реакторах распада. Термоядерный синтез не приводит к образованию высокорадиоактивных долгоживущих ядерных отходов и в случае аварии не происходит загрязнения радиоактивными элементами.
Для меня проект ITER — совместная работа на общее благо, является идеальным образцом науки. И хотя до практического использования ещё далеко, в мире физиков бытует шутка о том, в каком бы времени вы не находились, до освоения ядерного синтеза остаётся 30 лет. Термоядерная энергетика появится тогда, когда она станет действительно необходима человечеству.
