Когда будет термояд: 500-мегаваттный проект iter глазами участника

Ядерная угроза

В 1945 году мир был потрясен трагедией японских городов Хиросимы и Нагасаки. Правительство Соединенных Штатов сбросило две атомные бомбы на Японию, мотивируя это стремлением положить конец Второй мировой войне.

Последствия данного события оказались шокирующими. Атомная бомба доказала свою эффективность, практически до основания разрушив оба города. Мощность взрывов была колоссальной. За годы войны уже был проведен ряд испытаний ядерного оружия, но впервые оно было применено против населения.

Атомный взрыв не только унес огромное количество жизней. Выжившие после сброса бомбы ощутили на себе страшные последствия спустя несколько лет. Радиация привела к появлению лучевой болезни — недуга, проявившегося не только у людей, оказавшихся вблизи взрыва, но и у детей, родившихся в дальнейшем у этих людей.

Атомные взрывы приводят к большим выбросам ионизирующего излучения. Радиация способна сохранять свои ионизирующие свойства на протяжении десятков и сотен лет, распространяясь через атмосферу, загрязняя воды, выпадая в виде осадков.

Ядерное оружие являет серьезную угрозу. Гонка вооружений, продолжавшаяся практически всю вторую половину 20 века, поставила планету перед возможностью Третьей мировой войны. В настоящее время многие страны имеют ядерное оружие, ставя под угрозу жизнь всего человечества.

Не только ядерное вооружение может таить опасность. Объекты мирного назначения также могут привести к печальным последствиям при недостатке контроля. Трагедия на Чернобыльской АЭС в 1976 году наглядно демонстрирует, что может произойти, если недооценивать ядерную мощь.

Реакции ядерного синтеза и ядерного распада являются важными достижениями науки. Открытия в данной сфере могут использоваться как во зло, так и во благо. Правильное отношение к ядерным процессам позволяет минимизировать риски использования атомного потенциала.

Кто изобрел токамак

Первым, кто предложил использовать термоядерный синтез, в том числе и для промышленных целей, был советский физик О.А. Лаврентьев. Сделал он это в своей работе 1950 года. Именно с его работы началось изучение способов использования термоядерного синтеза.

О.А. Лаврентьев также является отцом водородной бомбы.

Спустя год другие физики — А.Д. Сахаров и И.Е. Тамм — развили идею и сказали, что термоядерная реакция должна поддерживаться внутри замкнутой камеры тороидальной формы.

Термин для обозначение токамака был предложен учеником академика Курчатова — И.Н. Головиным. Правда, в его варианте это должен был быть ”Токамаг” (тороидальная камера магнитная), но позже стали использовать более благозвучное слово ”Токамак”.

А.Д. Сахаров и И.Е. Тамм

Первый действующий токамак был построен в 1954 году, но до 1968 года они существовали только в СССР, так как мало кто верил в существование внутри камеры такой высокой температуры. Только после того, как в токамаке Т-3 в Институте атомной энергии им И.В. Курчатов побывали английские ученые и на своем оборудовании подтвердили существование температуры 11,6 миллиона градусов Цельсия, это привело к взрывному росту популярности и исследований в этом направлении в мире.

Токамак и сейчас считается самым перспективным способом получения энергии термоядерного синтеза и изучения плазмы, как агрегатного состояния вещества.

Кто сказал, что холодный синтез возможен?

Похоже на вымысел, не так ли? Красивая сказка, придуманная учеными, которые пытаются оправдать собственные потуги. Существует одна старая история, которая по своей природе очень похожа на сказки про холодный синтез. Она началась еще в 1770 году, еще когда никто не мог подумать не то чтобы о ядерном синтезе — даже современной теории атомов не существовало. Это история про самый первый автомат для игры в шахматы, Mechanical Turk («Механический турок») Вольфганга фон Кемпелена.

Почти за двести лет до изобретения современного компьютера «Турок» мог предложить очень сильную игру в шахматы, выиграл большинство своих игр и победил почти всех, не считая самых лучших игроков на то время. Его считали мистификацией, но множество выставок, на которых показали машину, подтвердили ее подлинность. Машина, казалось, не только обладает незаурядным шахматным мастерством, но и может обнаруживать подставные ходы.

«Турок» нуждался в ручной заводке, чтобы работать; было слышно, как внутри него поворачивались шестеренки. В дополнение к нижним ящикам, в которых были шахматная доска и фигуры, у него было шесть дверец, три спереди и три сзади. За левой дверью был набор взаимосвязанных металлических зубчатых колес, которые действительно поворачивались, если их завести. За правыми двумя была красная подушка и открытое пространство. Если открыть все три двери, можно было увидеть все внутренности «Турка».

Тот самый «Турок»

После победы во всех, кроме самого сильного регионального состязания, «Турок» отправился по Европе, где сыграл кучу игр, в том числе и против одного из самых сильных игроков того времени Андре Филидора, который хоть и победил, назвал игру с «Турком» одной из самых утомительных в своей жизни.

Но шестеренки слева и ящики на дне были ложными; они занимали лишь треть пространства, позволяя оператору — невысокому человеку, который скрывался внутри — оставаться незамеченным, когда правые двери были открыты. «Турок» был не автоматом, а очень хорошо спроектированной машиной, которой управлял оператор внутри. Но обман был раскрыт лишь в 1820-х годах. Пройдет еще 200 лет, и по-настоящему автоматическая программа наконец научится играть в шахматы на уровне «Турка».

Физики и химики

Но вернёмся к «забракованному» открытию Флешмана и Понса. Все их коллеги заявляют, что всё-таки удалось создать условия, где атомы дейтерия подчиняются волновым эффектам, ядерная энергия высвобождается в виде тепла в соответствии с теорией квантовых полей. Последняя, кстати, прекрасно разработана, но адски сложна и к описанию каких-то конкретных явлений физики с трудом приложима. Именно поэтому, наверное, люди не хотят её доказывать. Флешман демонстрирует выемку в бетонном полу лаборатории от взрыва, случившегося, как он утверждает, от холодного термояда. Однако физики химикам не верят. Интересно, почему?

Ведь сколько возможностей для человечества закрываются с прекращением исследований в этом направлении! Проблемы же просто глобальные, и их много. И все они требуют решения. Это экологически чистый источник энергии, посредством которого можно было бы дезактивировать громадные объёмы радиоактивных отходов после работы атомных электростанций, опреснять морскую воду и много чего ещё. Если бы освоить выработку энергии способом превращения одних элементов таблицы Менделеева в совершенно другие без использования для этой цели потоков нейтронов, которые создают наведённую радиоактивность. Но наука официально и сейчас считает невозможным превращение каких-либо химических элементов в совершенно другие.

Концептуальный проект

Термоядерный синтез, та же реакция, которая происходит в центре Солнца, соединяются атомные ядра, чтобы сформировать более тяжелые ядра. Термоядерный синтез генерирует гораздо больше поток энергии, чем сжигание ископаемого топлива.

Например, в количестве атомов водорода размером с ананас находится столько же энергии, сколько в 10 000 тонн угля, в соответствии с заявлением по проекту международного термоядерного реактора.

В отличие от ядерного деления которое разбивает большие атомы на более мелкие этот термоядерный реактор не будет производить высокий уровень радиоактивных отходов. И в отличие от установок по производству ископаемого топлива, термоядерная энергия слияния не генерирует парниковых газов, углекислого газа или других загрязнителей.

Ядерное деление

В термоядерном реакторе выделяется энергия при синтезе лёгких ядер (водорода, гелия и лития). Чтоб два ядра водорода (на практике — дейтерия и/или трития, то есть изотопов водорода) сошлись на достаточно близкое расстояние, чтобы преодолеть кулоновское отталкивание одноименно заряженных ядер, необходимо создать либо огромное давление, либо крайне высокую температуру.

В термоядерном реакторе нет ничего самопроизвольного, поэтому он безопаснее.  Любое неконтролируемое повреждение и исчезают условия, необходимые для термоядерного синтеза.

Термоядерный синтез

Атомный термоядерный реактор использует сверхпроводящие магниты для плавления атомов водорода и получения большого количества тепла. Будущие атомные термоядерные электростанции могут затем использовать эту теплоту для привода турбин и выработки электроэнергии.

Экспериментальный реактор не будет использовать обычные атомы водорода, ядра которых состоят из одного протона. Вместо этого он будет взрывать дейтерий, ядра которого имеют один протон и один нейтрон, с тритием, ядра которых имеют один протон и два нейтрона. Дейтерий легко извлекается из морской воды, а тритий будет сгенерирован внутри термоядерного реактора. Поставки этих видов топлива достаточно велики, достаточно на миллионы лет при нынешнем глобальном потреблении энергии.

И в отличие от реакторов деления, термоядерное синтезирование является очень безопасным: если реакции термоядерного синтеза нарушаются в пределах завода по термоядерному синтезу, термоядерные реакторы просто отключаются безопасно и без необходимости внешней помощи, отметил проект ITER. Теоретически, плавильные установки также используют только несколько граммов топлива одновременно, поэтому нет возможности аварии расплава.

Способы получения водорода

Водород – газообразный элемент без цвета и запаха с плотностью 1/14 по отношению к воздуху. В свободном состоянии он встречается редко. Обычно водород соединен с другими химическими элементами: кислородом, углеродом.

Получение водорода для промышленных нужд и энергетики проводится несколькими методами. Самыми популярными считаются:

• электролиз воды;
• метод концентрирования;
• низкотемпературная конденсация;
• адсорбция.

Выделить водород можно не только из газовых или водных соединений. Добыча водорода производится при воздействии на дерево и уголь высокими температурами, а также при переработке биоотходов.

Атомный водород для энергетики получают, используя методику термической диссоциации молекулярного вещества на проволоке из платины, вольфрама либо палладия. Ее нагревают в водородной среде под давлением менее 1,33 Па. А также для получения водорода используются радиоактивные элементы.

Электролизный метод

Наиболее простым и популярным методом выделения водорода считается электролиз воды. Он допускает получение практически чистого водорода. Другими преимуществами этого способа считаются:

• доступность сырья;
• получение элемента под давлением;
• возможность автоматизации процесса из-за отсутствия движущихся частей.

Процедура расщепления жидкости электролизом обратен горению водорода. Его суть в том, что под воздействием постоянного тока на электродах, опущенных в водный раствор электролита, выделяются кислород и водород.

Дополнительным преимуществом считается получение побочных продуктов, обладающих промышленной ценностью. Так, кислород в большом объеме необходим для катализации технологических процессов в энергетике, очистки почвы и водоемов, утилизации бытовых отходов. Тяжелая вода, получаемая при электролизе, в энергетике используется в атомных реакторах.

Получение водорода концентрированием

Этот способ основан на выделении элемента из содержащих его газовых смесей. Так, наибольшая часть производимого в промышленных объемах вещества, извлекается с помощью паровой конверсии метана. Добытый в этом процессе, водород используют в энергетике, в нефтеочистительной, ракетостроительной индустрии, а также для производства азотных удобрений. Процесс получения H2 осуществляют разными способами:

• короткоцикловым;
• криогенным;
• мембранным.

Последний способ считается наиболее эффективным и менее затратным.

Конденсация под действием низких температур

Эта методика получения H2 заключается в сильном охлаждении газовых соединений под давлением. В результате они трансформируются в двухфазную систему, которая впоследствии разделяется сепаратором на жидкое составляющее и газ. Для охлаждения применяют жидкие среды:

• воду;
• сжиженный этан или пропан;
• жидкий аммиак.

Эта процедура не так проста, как кажется. Чисто разделить углеводородные газы за один раз не получится. Часть компонентов уйдет с газом, забираемым из сепарационного отсека, что не экономично. Решить проблему можно глубоким охлаждением сырья перед сепарацией. Но это требует больших энергозатрат.

В современных системах низкотемпературных конденсаторов дополнительно предусмотрены колонны деметанизации либо деэтанизации. Газовую фазу выводят с последней сепарационной ступени, а жидкость направляется в ректификационную колонну с потоком сырого газа после теплообмена.

Способ адсорбции

Во время адсорбции для выделения водорода используют адсорбенты – твердые вещества, поглощающие необходимые компоненты газовой смеси. В качестве адсорбентов применяют активированный уголь, силикатный гель, цеолиты. Для осуществления этого процесса применяют специальные аппараты – циклические адсорберы или молекулярные сита. При реализации под давлением этот метод позволяет извлекать 85-процентный водород.

Если сравнивать адсорбцию с низкотемпературной конденсацией, можно отметить меньшую материальную и эксплуатационную затратность процесса – в среднем, на 30 процентов. Методом адсорбции производят водород для энергетики и с применением растворителей. Такой способ допускает извлечение 90 процентов H2 из газовой смеси и получение конечного продукта с концентрацией водорода до 99,9%.

Международный термоядерный реактор

Строительство международного термоядерного реактора

Первый в мире атомный международный термоядерный реактор в настоящее время достиг 50-процентного завершения и по последней информации будет готов к 2025 году. Эта термоядерная электростанция строится на юге Франции. Управляемый термоядерный синтез не имеет военного применения поэтому привлекаются ученые многих стран.

Когда он заработает в экспериментальном термоядерном реакторе будет циркулировать плазма, что в 10 раз жарче, чем солнце в межзвездном пространстве.

Основная цель заставить атомы водорода генерировать в 10 раз больше энергии к 2030-м годам. В конечном счете термоядерная энергия призвана доказать, что сила слияния может генерироваться в коммерческих масштабах и является устойчивой, обильной, безопасной и чистой.

Термоядерный реактор уровня «школьный проект по физике»[править]

В 1950 году некто Фарнсворт прикола ради сбацал фузор имени себя — он использует электростатический метод удержания плазмы (создание отрицательного потенциала в облаке электронов, который разгоняет ионы в направлении ловушки где уже и идет реакция), красиво светится синеньким и выглядит жутко научно. Толку от него нет вообще никакого — к критерию Лоусона он не подбирается даже близко, не смотря на неоднократные попытки его заубгрейдить. Зато при наличии некоторой суммы денег на топливо и электронные компоненты, а также при наличии прямых рук, собрать эту фигню можно даже дома. Но лучше не надо.

Мифы ториевой энергетики

Начнем с самого простого. Торий — это ядерный яд. То есть, сам по себе он не способен запустить цепную реакцию — торию в реакторе нужен инициирующий элемент. Таким может послужить только уран, в первую очередь изотоп уран-235, или плутоний-239.

Таким образом, уже в рамках проектирования реактора понадобятся урановые сборки. Отказаться от обогащения урана и его добычи не получится. Однако его количество будет в 3-10 раз меньше, чем для традиционных АЭС. А это означает, что нынешний уровень потребления урана — более 65 килотонн ежегодно, можно резко сократить.

Второй важный момент — проблема с повторным использованием отработанного ядерного топлива, которого накопилось очень много. Ториевому реактору просто не нужно такое количество урана и плутония. Так что получается палка о двух концах: да, мы снизим потребление урана и плутония, но от их переработки и захоронения ядерных отходов мы не сможем отказаться. Это отдельная проблема, которая не решается в рамках нового направления ядерной энергетики.

Третий фактор связан с запасами тория. Дело в том, что торий добывают из монацита, минерала, содержание фосфата тория в котором составляет  6-7%. Монацит содержится в магматических и других породах, но самые высокие его концентрации находятся в россыпных отложениях, сконцентрированных с другими тяжелыми минералами. То есть без коммерческого извлечения редкоземельных элементов производство тория сейчас нерентабельно. Экономически выгоднее добывать уран. Так что ториевые реакторы не имеют никаких экономических преимуществ перед традиционной АЭС. Единственная страна, в которой этот фактор не работает — Индия. В стране большие запасы тория, перевод местных АЭС на торий может оказаться прибыльным. Тем более, что Индия испытывает настоящий энергетический голод. И по мере превращения страны из аграрной в урбанистическую, энергии будет нужно всё больше. Но «Усовершенствованный тяжеловодный реактор» (AHWR) индийского производства, работающий на торий-урановых и торий-плутониевых сборках, до сих пор не закончен.

Проблема еще и в том, что ториевый реактор — это сильно корродирующая среда. Помимо этого, в результате реакции в нем образуется изотоп уран-232. Его продукты распада, висмут-212 и таллий-208, характеризуются жестким гамма-излучением, которое сложно экранировать. Поэтому уровень безопасности и защищенности персонала и электроники для ториевых реакторов по идее должен быть выше, чем на традиционной АЭС.

Однако, проверить эти теоретические выкладки можно только на действующих ториевых реакторах разных моделей. А их пока не так много. Вся надежда на китайскую установку и на то, что данные по ее эксплуатации не будут засекречены.

Россия тоже старается не отстать от ториевого клуба. В ближайшие 15-20 лет запланировано использование тория в уже существующих реакторах типа ВВЭР и БН. А после, в проектируемых реакторах Супер-ВВЭР, в котором значительная часть отработанного ядерного топлива будет использована для производства нового. 

Остается вопрос с отходами ториевых реакторов. Согласно исследованию Минэнерго США за 2014 год, отходы торий-уранового цикла имеют такую же радиоактивность на отрезке времени в 100 лет, что и уран-плутониевые топливные циклы, и более высокую радиоактивность отходов на отрезке 100000 лет. К тому же, если мы знаем как работать с отходами уран-плутониевых циклов, то опыта работы с отходами ториевых реакторов у нас нет.

При всем положительном отношении автора этих строк к новым технологиям в области атомной энергетики, чтобы сказать, что торий — светлое будущее этой области понадобится еще как минимум лет 10. А сейчас здесь больше мифов, маркетинга и попыток найти инвесторов для проектов, которые вовсе не обязательно будут экономически и экологически более выгодными, чем повышение безопасности и технологичности уже использующихся атомных технологий.

Холодный ядерный синтез

Как уже было отмечено, термоядерные реакции осуществимы лишь при воздействии высочайших температур. Таким образом, энергозатраты на их проведение являются довольно существенными. Это породило спекуляции на тему холодного ядерного синтеза (ХЯС).

Теоретически, ХЯС является процессом, при котором слияние ядер обеспечивалось бы не под воздействием экстремальных температур, а при обычных термо-условиях, например, при комнатной температуре.

Начиная с 1989 года, регулярно поступают сведения, что той или иной ученой группе удалось провести реакцию холодного синтеза. Однако на настоящий момент все эти заявления были недостоверными.

Впервые подобное заявление было сделано учеными университета Юты (США) — Флейшманом и Понсом. Они объявили, что им удалось провести реакцию при комнатной температуре. Экспериментального подтверждения их словам не было выявлено.

В дальнейшем еще несколько ученых заявляли о сенсационном открытии, но каждый раз информация не подтверждалась научно. На сегодняшний день реакция холодного ядерного синтеза остается лишь желанной перспективой.

Как заставить работать термоядерный синтез?

На прошлой неделе редактор io9 посетил Принстонскую лабораторию физики плазмы, чтобы взглянуть на недавно модернизированный эксперимент NSTX-U (National Spherical Torus Experiment), самый мощный «сферический токамак» — реактор синтеза на Земле. 85-тонная машина в форме гигантского яблока использует высокоэнергетические частицы для нагрева атомов водорода до температуры 100 миллионов градусов по Цельсию, что выше, чем в ядре Солнца. Для удержания этой сверхгорячей плазмы, обмоточные медные катушки генерируют магнитное поле в 20 000 раз более мощное, чем у Земли. Все для того, чтобы в течение нескольких волшебных секунд атомные ядра сталкивались, синтезировались и выпускали энергию.

Этот эксперимент является шагом на пути к создания установки синтеза, которая будет работать постоянно, запитывая целые города всего лишь одним граммом морской воды.

Звучит, конечно, это прекрасно. Но ядерная физика говорит свое веское «нет»

Легко понять, почему сфера энергии синтеза склонна к громким заявлениям — в основе лежит просто невероятная идея. Но что больше всего поражает во время экскурсии по PPPL, это не волшебная наука, которая творится внутри гигантского реактора, и не центр управления а-ля Хьюстон, где десятки ученых проводят моделирования на суперкомпьютерах. Поражает баланс оптимизма на тему будущего энергии синтеза и реализма на тему сложных физических и технических проблем, которые необходимо решить на пути к этому будущему.

Первая проблема, как выяснили физики в 1950-х и 1960-х, заключается в том, что синтезируемая плазма — свободно текущий бульон из протонов и электронов, атомные ядра которых сталкиваются и испускают энергию — не любит, когда ее удерживают. Она хочет расплескиваться повсюду, и нам нужно достаточно высокое давление и длительное время, чтобы мы могли произвести больше энергии, чем потратить на удержание этой плазмы.

Наше солнце удерживает плазму силой своей гравитации, но на Земле мы должны полагаться на мощные магниты и лазеры для этого. И цена ошибки очень высока. Даже крошечное количество сбежавшей плазмы может пробить стенку реактора и остановить процесс.

Область физики плазмы расцвела из желания закупорить звезду в бутылке. За последние несколько десятилетий эта область разрослась в бесчисленных направлениях, от астрофизики до космической погоды и нанотехнологий.

По мере того, как росло наше общее понимание плазмы, росли и наши возможности поддержания условий синтеза в течение больше чем секунды. В начале этого года новый сверхпроводниковый реактор синтеза в Китае смог удержать плазму температурой в 50 миллионов градусов по Цельсию в течение рекордных 102 секунд. Wendelstein X-7 Stellarator, который заработал в Германии впервые прошлой осенью, как ожидается, сможет побить этот рекорд и удержать плазму до 30 минут за раз.

Недавнее обновление NSTX-U выглядит скромным в сравнении с этими монстрами: теперь эксперимент может удерживать плазму в течение пяти секунд вместо одной

Но и это тоже является важной вехой

NSTX-U позволит принстонским исследователям заполнить некоторые пробелы между тем, что известно из физики плазмы сейчас, и тем, что будет необходимо для создания опытно-промышленной установки, способной достичь устойчивого состояния горения и генерации чистой электроэнергии.

Как работает токамак

Для создания внутри токамака магнитного поля, он составляется из секций, внутри которых намотаны катушки. Так как они идут по всей длине камеры и создают что-то вроде замкнутого тоннеля, получающееся магнитное поле называют тороидальным. Это и есть рабочая зона установки.

Конструкци токамака.

Перед началом работы из камеры токамака откачивают воздух, а вместо этого заполняют его смесью дейтерия и трития. Они и являются основой реакции термоядерного синтеза.

Преимущество использования этих двух элементов в том, что они очень дешевые. Дейтерий очень легко получается из воды, которой на нашей планете более чем достаточно, а тритий синтезируется пусть и чуть более сложным способом, но это тоже не является большой проблемой.

Когда камера заполнена, в ней создается вихревое электрическое поле, которое поддерживают плазму внутри камеры, а заодно разогревает ее, доводя до той самой температуры в несколько миллионов градусов.

Сейчас тут работают люди, а скоро будет 150 миллионов градусов.

Так как поле и нагрев создаются за счет увеличения тока в индукторе, а он не может увеличиваться бесконечно, время существования плазмы в стабильном состоянии пока не превышает нескольких секунд. Это и является главной причиной того, что мы пока не можем использовать токамаки в качестве источника промышленного получения энергии. Существую способы решения этой проблемы, в том числе с использованием микроволнового излучения, но пока работы в этом направлении еще ведутся.

Впрочем, микроволновое излучение и так применяется внутри токамака, так как только электромагнитного поля недостаточно для нагрева плазмы до температуры, необходимой для осуществления термоядерной реакции.

Обычная физика частиц четко говорит нам, что ядра с одинаковым зарядом отталкиваются друг от друга. Но при достижении сверхвысоких температур, они начинают вести себя иначе, образуя ядро гелия плюс один свободный нейтрон. Именно в этот момент и высвобождается огромное количество энергии. В обычных условиях она тратится на взаимодействие атомов между собой.