Термоядерная мощь: насколько люди близки к созданию неисчерпаемого источника энергии

В начале 2023 года появилась новость, что сроки запуска Международного экспериментального ядерного реактора (ИТЭР) переносятся с 2025 года на неопределенный срок из-за выявленных технических проблем. Кажется, мы пока далеки от повсеместного применения практически неисчерпаемой термоядерной энергии, но последние успехи ученых из США, которые побили свой рекорд по выходу в термоядерном синтезе, оставляют надежду на революцию в энергетической сфере.

ИТЭР — это проект планетарного масштаба, существующий вне политики. Над ним совместно работают десятки стран: Евросоюз (с Великобританией и Швейцарией), США, Китай, Индия, Япония, Южная Корея. Также проекту помогают Казахстан, Австралия, Канада, Таиланд. И, разумеется, Россия — на долю нашей страны приходятся 9% стоимости сооружения. Сегодня мы поговорим об этом уникальном проекте и заглянем за кулисы ядра, скрывающего неисчерпаемую мощь.

Ядро атома, как мы знаем из физики и химии, состоит из положительно заряженных протонов. Вокруг них — отрицательно заряженные электроны. Силы, удерживающие систему в балансе, как раз и являются объектом изучения ядерных физиков. При этом существуют два принципиально разных подхода к высвобождению скрытой энергии:

Почему же ученые так упорно ищут подходы к УТС, когда у них уже есть атомная энергетика? Потому что у термоядерного синтеза есть главное неоспоримое преимущество — близкая к идеалу теоретическая энергоэффективность.

Ключевая сложность — условия, которые требуется создать, чтобы атомы водорода соединились друг с другом. В ядре Солнца они подвергаются колоссальному давлению вкупе с огромной температурой. Создать такую гравитацию в лабораторных условиях невозможно, поэтому приходится разогревать среду еще сильнее. Так, если в центре нашего светила температура составляет около 15 млн градусов Цельсия, то в термоядерном реакторе — около 150 млн. Разумеется, никакое вещество не способно выдержать подобного жара, поэтому основная задача, над которой сегодня бьются ученые — удержание плазмы как можно дальше от стенок реактора, чтобы они не расплавились.

Эксперты Курчатовского института замечают, что термоядерный синтез не является цепной реакцией. То есть при нарушениях в работе установки процесс попросту остановится. Максимум, какая опасность поджидает обслуживающий персонал и окружающих — расплавление токамака (установки удержания плазмы с помощью мощных магнитов). В этом плане УТС гораздо безопаснее классической атомной энергетики, где реакция как раз является цепной и угрожает загрязнением обширных площадей.

Высокая энергоэффективность и относительная безопасность — далеко не все плюсы. Есть как минимум еще четыре:

В теории, УТС — неисчерпаемый источник «чистой» энергии, топливо для которого есть у всех без исключения стран (что снижает риски политической напряженности). К тому же термоядерный синтез лишен всех недостатков классической атомной энергетики.

Впервые об УТС заговорили в 1960-х, первопроходцами были ученые из СССР. Так, первое теоретическое обоснование в своих работах дал Лаврентьев (1950), чуть позже с аналогичными трудами выступил Спицер из США (1951). После запуска Обнинской АЭС и публикации научных работ по УТС от Курчатова (1956) за СССР закрепилось звание лидера в ядерной энергетике. Первый токамак, ТМП, был сконструирован в 1958 году в Курчатовском институте. Сегодня самый большой и мощный действующий токамак — JET (Joint European Torus), расположенный в английском Оксфордшире. Здесь мы плавно переходим к ИТЭР (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor, Международный экспериментальный термоядерный реактор). По расчетам, его мощность будет в 30 раз выше аналогичного показателя у JET.

ИТЭР был согласован в 1992 году, строительство началось в 2010-ом. Экспериментальный реактор выполнен, как и JET, по типу «токамак». То есть внутри раскаленная плазма удерживается на расстоянии от стенок установки мощнейшей магнитной системой. Кстати, сам термин «токамак» — это акроним от советских ученых, обозначающий «тороидальную камеру с магнитными катушками».

Первоначальная дата завершения строительства — 2016 год. Но запуск многократно переносился. Рассмотрим даты согласования, новые даты завершения строительства и причины переноса сроков:

За годы строительства смета выросла с 5 до 20 млрд евро, новый срок запуска пока не называется. Как утверждают эксперты Частного учреждения «ИТЭР-Центр», ситуация окончательно прояснится только в 2024 году — тогда и стоит ожидать новой даты. Показателен также момент, насколько часто меняются руководители:

Безусловно, для уникального мегапроекта такого уровня перенос сроков и разрастание сметы — нормальная ситуация. Именно поэтому ИТЭР существует вне политики и требует усилий лучших умов и производств всех ведущих стран.

Информация о технических проблемах появилась уже в конце 2022-го, но впервые официально ее озвучили в январе 2023 года. Что пошло не так:

Нынешний руководитель проекта ИТЭР Пьетро Барабаски утверждает, что на восстановление уйдут годы.

Россия (СССР) — один из трех основателей Международного термоядерного реактора наряду с Францией и США. Всего отечественные ученые должны передать проекту ИТЭР 25 систем. Пока полностью поставили три из них — сверхпроводники ниобий-три-олово и ниобий-титан, а также катушку PF-1. Представители Научно-исследовательского института электрофизической аппаратуры имени Ефремова (НИИЭФА) и Средне-Невского судостроительного завода (СНСЗ) утверждают, что без «больших успехов России» мировой прогресс в сфере термоядерного синтеза отставал бы минимум на три-четыре года.

Отметим, что практически все существующие сегодня токамаки и их разработчики так или иначе поставляют технологии для ИТЭР. Чего удалось достичь за последние 5 лет:

Как видно, активное участие в разработке принимают Китай, США и Россия. Недавно представители «Росатома» заявили, что продолжают поставлять ИТЭР специалистов, оборудование и технологии.

Освоение термоядерной энергии даст миру возможность никогда больше не страдать от недостатка воды или продовольствия благодаря опреснению и вертикальным фермам — так считают аналитики Saxo Bank и «Росатома». Между тем, в общественной и профессиональной среде существуют три мнения насчет ИТЭР:

Если в ближайшие десятилетия человечеству все-таки удастся запустить ИТЭР и получить положительные результаты, это будет революция, сравнимая с открытием электричества или запуском первого космического аппарата. Ученые еще никогда не были так близки к источнику неисчерпаемой мощи, подобной солнечной.

#firstvds #vcfirstvds #термоядерныйсинтез #источникэнергии #ИТЭР #атомнаяэнергетика