В чем заключается проблема термоядерной энергетики
Новое в блогах
Названы основные проблемы термоядерной энергетики и сроки их решения
Европейский токамак JET, который вносит свою лепту в развитие науки о термоядерном синтезе
На сегодняшний день люди уже умеют зажигать термоядерные реакции, которые протекают на Солнце, в земных условиях. Правда, есть два нюанса: реакция либо вспыхивает во время взрыва водородной бомбы и протекает после этого совершенно неуправляемо, либо, если мы пытаемся запустить ее внутри специальной установки, выделяемая энергия оказывается заметно меньше затраченной на инициацию. Или на поджиг, если использовать тот термин, который употребляют ученые.
Казалось бы, что сложного в том, чтобы обмотать корпус реактора трубами, пустить в них воду, получить на выходе пар и поставить турбину? В документе, который представили специалисты EFDA, перечислен целый ряд подводных камней. Причем не просто перечислен, а указаны возможные сроки их решения; мы начнем с самой очевидной.
Еще одним большим достоинством токамаков называют то, что они смогут сами для себя производить самый дефицитный компонент топлива, тритий (другой, дейтерий, в изобилии находится в обычной воде). Реактор обкладывается специальным «одеялом» (специальный термин «бланкет» вообще-то есть английское blanket, то есть именно «одеяло») с литием, который при облучении нейтронами превращается в тритий. Но это в теории, на практике, разумеется, такую схему никто не реализовывал, ведь работающих термоядерных реакторов пока нет.
Несмотря на то, что страшные катастрофы вроде чернобыльской на термоядерных электростанциях невозможны в принципе (нет большого количества высокооактивных и при этом долгоживущих изотопов), небольшие, но частые аварии тоже способны поставить крест на этом направлении.
Термоядерная энергетика: надежда человечества?
В детстве я любил читать журнал «Наука и Жизнь», в деревне лежала подшивка начиная с 60-х годов. Там часто рассказывали про термоядерный синтез в радостном ключе — вот уже почти, и оно будет! Многие страны, чтобы успеть на раздачу бесплатной энергии строили у себя Токамаки (и настроили их суммарно 300 штук по всему миру).
Годы шли… Сейчас 2013-й год, а человечество до сих пор получает бОльшую часть энергии от сжигания угля, как в 19-м веке. Почему так получилось, что мешает создать термоядерный реактор, и чего нам ждать в будущем — под катом.
Теория
Ядро атома, как мы помним, состоит в первом приближении из протонов и нейтронов (=нуклонов). Для того, чтобы от атома оторвать все нейтроны и протоны — нужно затратить определенную энергию — энергию связи ядра. Эта энергия отличается у различных изотопов, и естественно, при ядерных реакциях баланс энергии должен сохраняться. Если построить график энергии связи для всех изотопов (из расчета на 1 нуклон), получим следующее: 
Отсюда мы видим, что получать энергию мы можем или разделяя тяжелые атомы (вроде 235 U), или соединяя легкие.
Наиболее реалистичные и интересные в практическом отношении следующие реакции синтеза:
В этих реакциях используется Дейтерий (D) — его можно получать прямо из морской воды, Тритий (T) — радиоактивный изотоп водорода, сейчас его получают как отход на обычных ядерных реакторах, можно специально производить из лития. Гелий-3 — вроде-бы на Луне, как мы все уже знаем. Бор-11 — природный бор на 80% состоит из бора-11. p (Протий, атом водорода) — обычный водород.
Для сравнения, при делении 235 U выделяется
202.5 MeV энергии, т.е. гораздо больше чем при реакции синтеза из расчета на 1 атом (но из расчета на килограмм топлива — конечно термоядерное топливо дает больше энергии).
По реакциям 1 и 2 — получается много очень высокоэнергетических нейтронов, которые всю конструкцию реактора делают радиоактивной. А вот реакции 3 и 4 — «без-нейтронные» (aneutronic) — не дают наведенной радиации. К сожалению, побочные реакции все равно остаются, например из реакции 3 — дейтерий будет и сам с собой реагировать, и небольшое нейтронное излучение все-же будет.
Реакция 4 интересна тем, что в результате получаем 3 альфа-частицы, с которых теоретически можно напрямую энергию снимать (т.к. они фактически представляют собой движущиеся заряды = ток).
В общем, интересных реакций достаточно. Вопрос лишь в том, насколько просто их осуществить в реальности?
О сложности проведения реакции Человечество относительно легко освоило деление 235 U: никакой сложности тут нет — поскольку нейтроны не обладают зарядом, они могут буквально «проползать» сквозь ядро даже с очень маленькой скоростью. В большинстве реакторов деления и используются как раз такие, тепловые нейтроны — у которых скорость движения сравнима со скоростью теплового движения атомов.
А вот при реакции синтеза — у нас есть 2 ядра имеющие заряд, и они отталкиваются друг от друга. Для того, чтобы сблизить их на нужное для реакции расстояние — нужно, чтобы они двигались с достаточной скоростью. Скорости такой можно либо достичь в ускорителе (когда все атомы в результате двигаются с одной оптимальной скоростью), или нагреванием (когда атомы летают как попало в случайных направлениях и случайной скоростью).
Вот график, показывающий скорость реакции (сечение) в зависимости от скорости (=энергии) сталкивающихся атомов:
Вот то же, но построенное от температуры плазмы, с учетом того, что атомы там летают со случайной скоростью:
Сразу видим, что реакция D+T — самая «легкая» (ей нужны жалкие 100 миллионов градусов), D+D — примерно в 100 раз медленее при тех же температурах, D+ 3 He идет быстрее чем конкурирующая D+D только при температурах порядка 1 млрд градусов.
Таким образом, только реакция D+T хотя бы отдаленно доступна человеку, со всеми её недостатками (радиоактивность трития, сложности с его получением, наведенная нейтронами радиация).
Но как вы понимаете, взять и нагреть что-то до ста миллионов градусов и оставить реагировать не выйдет — любые нагретые предметы излучают свет, и таким образом быстро остывают. Плазма нагретая до сотни миллионов градусов — светит в рентгеновском диапазоне, и что самое печальное — она прозрачна для него. Т.е. плазма с такой температурой фатально быстро остывает, и чтобы поддерживать температуру нужно постоянно вкачивать гигантскую энергию на поддержание температуры.
Впрочем, из-за того, что в термоядерном реакторе газа очень мало (например в ITER — всего пол грамма), все получается не так плохо: чтобы нагреть 0.5г водорода до 100 млн градусов нужно потратить примерно столько же энергии, сколько для нагревания 186 литров воды на 100 градусов.
Есть еще критерий Лоусона, показывающий, будет ли реакция давать больше энергии, чем тратится. Помимо температуры важна еще плотность (само собой выше плотность плазмы — быстрее реакция идет) и время удержания плазмы (чтобы успело прореагировать). Соответственно, системы могут быть импульсные (Z-Machine, NIF, термоядерный заряд — короткое время реакции, высокая температура и плотность) и постоянные (токамак — низкая плотность и температура, длительное время реакции).
Посмотрим теперь, какие подходы есть к реализации термоядерного реактора.
Конструкции
Звезда — естественный термоядерный реактор. Горячая плазма под высоким давлением удерживается гравитацией, а все излучаемое рентгеновское излучение — за счет огромной плотности и размеров поглощается. Таким образом ядро не остывает даже при относительно маленьких скоростях реакции. Из-за этого в ядре сгорает не только водород и дейтерий, но и гораздо более тяжелые элементы. К сожалению, на земле такую конструкцию реализовать затруднительно.
«Лишние» нейтроны захватываются литием-6 с образованием трития, и образуется как раз нужная нам нагретая смесь дейтерия и трития. Они начинают реагировать друг с другом — и удерживает их от разлетания сила инерции относительно тяжелого корпуса заряда из урана. Помимо этого, урановый корпус непрозрачен для рентгеновского излучения — соответственно потери тепла меньше. Вся реакция заканчивается за 1 микросекунду — и корпус только-только начинает разлетаться в разные стороны.
Это была так называемая «бустерная схема» ядерного заряда, где вклад термоядерной реакции невелик, и лишь позволяет немного поднять мощность «задешево» (плутоний — страшно дорогой, а литий — в сравнении с ним дешев как грязь).
Это конечно все хорошо работает в целях разрушения, но в целях получения энергии этот подход использовать не получается, очень уж высока минимальная мощность взрыва, и слишком много обычных радиоактивных продуктов реакции плутония/урана.
Линейные ускорители: идея проста — берем мишень из любого удобного дейтерида металла, и в маленьком линейном ускорителе разгоняем до нужной скорости атомы трития. Получаем настоящую термоядерную реакцию, и выходом энергии и 14.1 MeV нейтронов. Такой источник можно использовать для поиска нефти и воды (например на марсианском ровере MSL стоит российский импульсный источник нейтронов DAN), и в качестве внешнего импульсного нейтронного инициатора в ядерных зарядах.
Почему-же так нельзя вырабатывать электричество? На разгон атомов тратится намного больше энергии, чем мы получаем в результате реакции (далеко не все разгоняемые атомы реагируют). По моим расчетам DAN например имеет КПД порядка 0.0016%.
Токамак (тороидальная камера с магнитными катушками) — идея уже немного сложнее, в плазменном торе как в трансформаторе наводим ток. Вокруг тора — сверхпроводящие магниты, которые «обжимают» плазму и не дают ей коснуться стенок. Плазма нагревается микроволновым излучением, и резистивным нагревом от протекающего тока. Когда начинали работать по этому направлению — казалось: вот-вот и все будет работать.
Во всем мире построено порядка 300 токамаков, и самый современный и крупный из них — строящийся международный проект ITER (в том числе и при участии России). В нем должен быть наконец достигнут показатель Q=10 (т.е. выделение энергии в 10 раз больше затрачиваемой на нагрев и удержание плазмы). Водородную плазму (т.е. без термоядерной реакции) собираются зажечь в 2020-м, а начать запуски с дейтерий-тритиевой плазмой — в 2027, если конечно все пойдет по плану и не случится какой-нибудь очередной кризис. 
Стелларатор — «мятый» бублик, где магнитное поле формируется внешними магнитами очень хитрой формы и обеспечивает стабильность плазмы. По сравнению с токамаком — намного более сложная конструкция. По «качеству» удержания плазмы сейчас уже уступает токамакам. 
NIF — National Ignition Facility — идея в том, чтобы сфокусировать свет от 192 импульсных лазеров на мишени, окружающей капсулу с дейтерий-тритиевой смесью. Свет нагревает мишень — она нагревается до миллионов градусов, и равномерно светом «обжимает» капсулу с термоядерным топливом. На хабре кстати 3 года назад писали, что там уже почти все готово.
Проект завершился 30 сентября 2012 года. Оказалось, в компьютерной модели были неточности. По новой оценке, достигнутая в NIF мощность импульса 1.8 мегаджоуля — 33-50% от требуемой, чтобы выделилось столько же энергии, сколько было затрачено. 
Sandy Z-machine Идея такая: возьмем большую кучу высоковольтных конденсаторов, и резко разрядим их через тоненькие вольфрамовые проволочки в центре машины. Проволочки мгновенно испаряются, через них продолжает течь огромный ток в 27 миллионов ампер на протяжении 95 наносекунд. Плазма, нагретая до миллионов и миллиардов(!) градусов — излучает рентгеновское излучение, и обжимает им капсулу с дейтерий-тритиевой смесью в центре (энергия импульса рентгеновского излучения — 2.7 мегаджоуля).
Планируется апгрейд системы с использованием российской силовой установки (Linear Transformer Driver — LTD). В 2013-м году ожидаются первые тесты, в которых получения энергия сравнится с затрачиваемой (Q=1). Возможно, у этого направления в будущем появится шанс сравниться и превзойти токамаки. 
Dense Plasma Focus — DPF — «схлопывает» бегущую по электродам плазму с получением гигантских температур. В марте 2012 на установке, действующей по этому принципу была достигнута температура 1.8 млрд градусов.
Levitated Dipole — «вывернутый» токамак, в центре вакуумной камеры висит торообразный сверхпроводящий магнит который и удерживает плазму. В такой схеме плазма обещает быть стабильной сама по себе. Но финансирования у проекта сейчас нет, похоже непосредственно реакцию синтеза на установке не проводили.
Farnsworth–Hirsch fusor Идея проста — размещаем две сферические сетки в вакуумной камере наполненной дейтерием, или дейтерий-тритиевой смесью, прикладываем между ними потенциал в 50-200 тысяч вольт. В электрическом поле атомы начинают летать вокруг центра камеры, иногда сталкиваясь между собой.
Выход нейтронов есть, но он довольно мал. Большие потери энергии на тормозное рентгеновское излучение, внутренняя сетка быстро раскаляется и испаряется от столкновений с атомами и электронами. Хотя конструкция интересна с академической точки зрения (собрать её может любой студент), КПД генерации нейтронов намного ниже линейных ускорителей. 
Polywell — хорошие напоминание о том, что не все работы по термоядерному синтезу публичны. Работа финансировалась ВМФ США, и была засекречена, пока не были получены отрицательные результаты.
Идея — развитие Farnsworth–Hirsch fusor. Центральный отрицательный электрод, с которым было больше всего проблем, мы заменяем облаком электронов, удерживаемых магнитным полем в центре камеры. Все тестовые модели имели обычные, а не сверхпроводящие магниты. Реакция давала единичные нейтроны. В общем, никакой революции. Возможно, увеличение размеров и сверхпроводящие магниты и изменили бы что-то.
Мюонный катализ — радикально отличающаяся идея. Берем отрицательно-заряженный мюон, и заменяем им электрон в атоме. Поскольку мюон в 207 раз тяжелее электрона — в молекуле водорода 2 атома будут намного ближе друг к другу, и произойдет реакция синтеза. Единственная проблема — если в результате реакции образуется гелий (шанс
1%), и мюон улетит с ним — больше в реакциях он участвовать не сможет (т.к. гелий не образует химического соединения с водородом).
Проблема тут в том, что генерация мюона на данный момент требует больше энергии, чем может получится в цепочке реакций, и таким образом пока энергию тут не получить.
«Холодный» термоядерный синтез (сюда не включен «холодный» мюонный катализ) — давно является пастбищем псевдоученых. Научно подтвержденных и независимо повторяемых положительных результатов нет. А сенсации на уровне желтой прессы были уже не раз и до E-Cat-а Андреа Росси.
Резюме
Когда путь важнее цели. Сколько нам еще остается до полноценной термоядерной энергетики?
Так выглядел строящийся комплекс ITER в феврале 2020 года. ITER может стать первой установкой, которая позволит получить «горящую» или самоподдерживаемую термоядерную плазму. В этом строящемся сооружении будут расположены термоядерный токамак и системы его обеспечения. Фото из архива ITER
На Хабре не обошли вниманием новость о том, что Китай запустил новый токамак, HL-2M Tokamak. Эта новость особенно интересна тем, что освежает в памяти историю о печальном долгострое нашего века — будущем термоядерном реакторе ITER, который возводится силами всей Европы на юге Франции и должен стать первым подобным устройством, которое могло бы производить больше энергии, чем потребляет само. Тем не менее, с сожалением отметим, что и HL-2M, и даже ITER удручающе далеки от полноценной термоядерной электростанции.
Не будем вдаваться в детали устройства токамаков и самого ITER – эти темы в изобилии рассмотрены во всевозможных источниках, например, в вышеупомянутой хаброновости. Под катом речь пойдет о том, какой путь открывает перед нами ITER (в переводе с латыни «iter» означает «путь»), и почему этот путь оказался извилист как восьмерка стелларатора.
Начало
Можно сказать, что все началось еще в 1920-е, когда Артур Эддингтон предположил, что Солнце и звезды могут гореть благодаря преобразованию водорода в гелий. Эту идею быстро подхватили журналисты и фантасты, полагавшие, что обуздать энергию Солнца не составит труда, и сырьем для топлива подобного реактора может стать самая обычная вода.
Это типичная последовательность, выстраивающаяся в ядерном реакторе на АЭС.
Термоядерные реакции, напротив, протекают преимущественно с участием гелия и водорода, и приводят к образованию более тяжелых изотопов из более легких. В звездах главной последовательности наиболее типична следующая термоядерная реакция:
Подробно о термоядерном синтезе и вариантах конструкции термоядерного реактора рассказано в замечательной статье, опубликованной на Хабре Михаилом Сваричевским в 2013 году. Там же можно почитать скептический авторский вердикт, в соответствии с которым полноценная термоядерная энергетика – дело далекого будущего. Статья действительно огненная:
Пока отметим, что технические сложности, вставшие на пути создания термоядерной электростанции, оказались столь серьезными, что периодизация ее развития несопоставима с темпами развития атомной энергетики. Хронология:
Деление ядра
Ядерный синтез
Тем не менее, в бюллетене IAEA за 2019 год идея создания термоядерной электростанции обсуждается совершенно серьезно и даже буднично. Приведено три условия, которые должны выполняться на полноценной термоядерной электростанции:
Если вы еще не успели ознакомиться с приведенными выше ссылками и освежить в памяти, как выглядит и работает токамак – коротко остановимся на этом вопросе.
Токамак – это сложносокращенное слово, означающее «тороидальная камера с магнитными катушками». Первый токамак был сконструирован в 1954 году в СССР, а термин предложен только в 1957 году. На Западе интерес к строительству токамаков возник значительно позже, в 1968 году, после того, как с подобным устройством в институте Курчатова познакомилась группа английских ученых, убедившихся в его работоспособности. Итак, токамак – это исходно вакуумная камера тороидальной формы, наполняемая смесью дейтерия и трития, тяжелых изотопов водорода. Стенки токамака, естественно, не в состоянии удерживать внутри горячую плазму, в которой идут термоядерные реакции, поэтому плазма удерживается в тороидальной камере при помощи сильнейших магнитных полей и, будучи там, напоминает по форме шнур.
Важнейшим физическим показателем, позволяющим судить, будет ли термоядерная реакция давать больше энергии, чем потребляет реактор, является критерий Лоусона, сводящийся к следующей формулировке:
Чтобы термоядерный синтез стал источником энергии, произведение плотности частиц и времени их удержания на предельно близком расстоянии друг от друга должно превышать определенную величину.
В настоящее время наиболее энергетически выгодной термоядерной реакцией считается термоядерный синтез с участием двух изотопов водорода: дейтерия и трития. При слиянии ядра дейтерия и ядра трития образуется ядро гелия плюс очень высокоэнергетический нейтрон. При соблюдении нужных условий выделяющаяся при этом энергия является достаточной для дальнейших термоядерных реакций. Кроме того, дейтериево-тритиевая реакция является наиболее целесообразной с практической точки зрения, так как в ходе нее проще всего преодолевается кулоновский барьер, и эту реакцию наиболее удобно поддерживать в искусственно созданных условиях.
Следует отметить, что наряду с парой дейтерий-тритий рассматриваются еще три варианта термоядерных реакций, которые потенциально могут быть применимы в промышленности. Вот они все:
Немаловажным фактором, ограничивающим ресурсную базу для термоядерной энергетики, является необходимость добычи дейтерия и производства трития. Остановимся на ней подробнее.
Размножение трития
Дейтерий относительно широко распространен в природе, и его можно в достаточном количестве извлекать из морской воды. Тритий же, хотя и присутствует в природе, слишком редок, чтобы добывать его в полезных объемах. Поэтому его придется промышленно синтезировать. В настоящее время тритий добывают из охладителя реакторов, работающих на тяжелой воде, либо получают путем бомбардировки литиевых мишеней в реакторах на легкой воде.
Предполагается, что для работы одной 500-мегаваттной термоядерной электростанции потребуется около 50 килограммов тритиевого топлива в год. Эта величина не только намного превышает возможности современной промышленности, позволяющей получать около 2-3 кг трития в год, но и не учитывает стоимость производства, которая будет достигать миллиардов долларов. Соответственно, термоядерная энергетика требует разработки метода, который позволил бы размножать тритий прямо на станции. К счастью, таким методом потенциально может стать сама термоядерная реакция.
Окружив токамак литиевым бланкетом, можно (с выделением тепла) получать тритий, когда ядра лития будут захватывать образующиеся при синтезе нейтроны и спонтанно превращаться в тритий. В настоящий момент находятся в разработке технологические решения, необходимые для сбора трития, образующегося таким образом.
Далее уместен вопрос: так ли экологически чиста и энергетически выгодна термоядерная энергетика? Здесь следует процитировать некоторые возражения, приведенные в вышеупомянутой статье Михаила Сваричевского:
А вот что отмечает по поводу экологичности термоядерных электростанций IAEA:
Простейший процесс термоядерного синтеза протекает с участием двух изотопов водорода: дейтерия и трития. Тритий радиоактивен, но период его полураспада невелик (12,32 года). Он используется лишь в незначительных количествах и, следовательно, не представляет такой опасности, как долгоживущие радиоактивные ядра. В результате такой реакции дейтерия с тритием образуется атом гелия (инертного газа) и нейтрон. Энергию этих продуктов (атома и нейтрона) можно собирать для запитывания реактора и выработки электричества соответственно. Следовательно, от термоядерных реакций не остается долгоживущих радиоактивных отходов. Но в процессе синтеза образуются активированные нейтронами материалы, окружавшие плазму. Иными словами, когда нейтроны (продукт реакции синтеза) попадают в стенки реактора, сам реактор и его компоненты становятся радиоактивными. Поэтому при строительстве термоядерных электростанций в перспективе придется оптимизировать их конструкцию таким образом, чтобы свести к минимуму такую нейтронную радиоактивность и объем радиоактивных отходов, образующихся в результате.
Таким образом, ITER можно считать не столько супертокамаком, сколько тестовым прототипом термоядерной электростанции, который позволит оценить стоящие перед индустрией технологические и экологические вызовы. Среди них: размножение трития, контроль плазмы, продвинутая диагностика, борьба с износом конструкций. Кроме того, предстоит выяснить, как долго корпус реактора способен выдерживать воздействие горячей плазмы.
Как и любая перспективная технология, термоядерная энергетика уже порождает свои «стартапы». Вот важнейшие из них:
Реголитовая Голконда
И здесь самое время перейти к заключительной части нашего экскурса: обратить внимание на гелий-3, участвующий в четвертой из важнейших термоядерных реакций, упомянутых выше:
Дейтерий + гелий-3 (гелий-4 и протон, 18,2 МэВ)
Выход энергии заметно превышает 17,6 МэВ, вырабатываемые при тритиевой реакции, а вместо нейтрона имеем в качестве побочного продукта протон, что во многом решает проблему радиоактивного загрязнения.
Основная проблема заключается в том, что гелий-3 (ядро которого состоит из двух протонов и одного нейтрона) чрезвычайно редок по сравнению с основным изотопом гелий-4 (два протона и два нейтрона): доля гелия-3 на Земле составляет 0,000137% (1,37 частей на миллион); основным источником этого изотопа на нашей планете является солнечный ветер.
Но еще в 1986 году специалисты из Института технологий термоядерного синтеза при университете Висконсина определили, что в лунном грунте, реголите, может содержаться миллион тонн гелия-3. Добыча гелия-3 на Луне может быть коммерчески выгодным предприятием, так как извлекаемая из него энергия в 250 раз превысит энергию, требуемую на его добычу и доставку на Землю. Лунных запасов гелия-3 может хватить для обеспечения термоядерной энергетики на целые столетия.
Нейтроны, образующиеся при дейтериево-тритиевом синтезе, ускользают из реактора, поскольку не обладают электрическим зарядом и, следовательно, их нельзя удерживать электромагнитным полем. Напротив, протоны – побочный продукт термоядерной реакции с гелием-3 – имеют положительный заряд, и улавливать их не составляет труда. Более того, можно использовать и энергию самих протонов, которая непосредственно пойдет на выработку электричества. В таком случае отпадает необходимость получать водяной пар для вращения турбины – именно по такому принципу вырабатывается энергия на современных атомных электростанциях.
Таким образом, освоение Луны приобретает неиллюзорную практическую ценность. Отработка технологий термоядерного синтеза, возможно, первоначально на основе дейтериево-тритиевого синтеза, могла бы стать этапом на пути к энергетическому самообеспечению лунной реголитодобывающей промышленности, цель которой – обеспечить термоядерным топливом Землю.
Здесь мы настолько углубились в научную фантастику, что в этом посте пора осторожно поставить точку и поблагодарить всех, кто его дочитал и готов обсудить.
Хотя, в качестве эпилога предлагаю взглянуть еще на эту старенькую статью из журнала «Кот Шрёдингера». Мало того, что в ней классные картинки, так еще и переброшен мостик от темы, которую мы рассмотрели здесь, к теме терраформирования. В этой индустрии будущего, по-видимому, без термояда тоже никак не обойтись.
Пока же и ITER, и весь описанный путь далеки от завершения. Но хочется надеяться, что дорогу осилит идущий.