Спасибо, что вы с нами!

Синтезировать солнце

Увидит ли мир работающий термоядерный реактор через несколько лет и как он будет выглядеть

Промышленный термоядерный синтез получил славу «вечно грядущей» технологии, которая всегда в разработке, всегда где-то там, в полувеке от нас. Впрочем, в последнее время сроки сократились: промышленных реакторов по-прежнему нет, но многие проекты обещают продемонстрировать работающие прототипы в ближайшие несколько лет. Если, конечно, все пойдет по плану.
Добавить в закладки
Комментарии
...

«Lockheed Martin начала разработку компактного термоядерного реактора… На сайте фирмы говорится о постройке первого опытного образца уже через год. Если это окажется правдой, через год мы будем жить в совершенно ином мире», — это начало одной из статей «Чердака». Со времени ее публикации прошло три года, и мир с тех пор не так уж сильно изменился.

Сегодня в реакторах атомных электростанций энергия вырабатывается за счет распада тяжелых ядер. В термоядерных же реакторах энергия получается в ходе процесса слияния ядер, при котором образуются ядра меньшей массы, чем сумма исходных, а «остаток» уходит в виде энергии. Отходы ядерных реакторов радиоактивны, их безопасное захоронение — это большая головная боль. Термоядерные реакторы такого недостатка лишены, а также используют широко доступное топливо, такое как водород.

У них есть только одна большая проблема — промышленных образцов еще не существует. Задача непростая: для термоядерных реакций нужно сжать топливо и нагреть до сотен миллионов градусов — горячее, чем на поверхности Солнца (где термоядерные реакции происходят естественным путем). Достичь такой высокой температуры сложно, но можно, только вот потребляет такой реактор энергии больше, чем вырабатывает.

Однако потенциальных достоинств у них все равно так много, что разработкой занимается, конечно же, не только Lockheed Martin.

ITER

ITER — cамый крупный проект в этой области. В нем участвуют Евросоюз, Индия, Китай, Корея, Россия, США и Япония, а сам реактор строится на территории Франции с 2007 года, хотя его история уходит намного глубже в прошлое: о его создании договаривались еще Рейган с Горбачевым в 1985-м. Реактор представляет собой тороидальную камеру, «бублик», в которой плазму удерживают магнитные поля, потому и называется токамак — тороидальная камера с магнитными катушками. Энергию реактор будет вырабатывать за счет слияния изотопов водорода — дейтерия и трития.

Планируется, что ITER будет получать энергии в 10 раз больше, чем потреблять, однако будет это не скоро. Изначально планировалось, что в экспериментальном режиме реактор начнет работать в 2020 году, однако затем этот срок перенесли на 2025-й. При этом промышленное производство энергии начнется не раньше 2060 года, а уж ждать распространения этой технологии можно только где-то в конце XXI века.

Wendelstein 7-X

Wendelstein 7-X — крупнейший термоядерный реактор типа стелларатор. Стелларатор решает проблему, которая преследует токамаки, — «расползание» плазмы из центра тора к его стенкам. То, с чем токамак пытается справиться за счет мощи магнитного поля, стелларатор решает за счет своей сложной формы: удерживающее плазму магнитное поле изгибается, чтобы пресечь поползновения заряженных частиц.

Схема Wendelstein 7-X, желтое — плазма, синее — магниты. Иллюстрация: Max-Planck Institut für Plasmaphysik

Wendelstein 7-X, как надеются его создатели, в 21-м году сможет проработать полчаса, что даст «билет в жизнь» идее термоядерных станций подобной конструкции.

National Ignition Facility

Еще один тип реакторов использует для сжатия и разогрева топлива мощные лазеры. Увы, крупнейшая лазерная установка для получения термоядерной энергии, американская NIF, не смогла выдать энергии больше, чем потребляет.

Предусилители установки National Ignition Facility. Фото: Lawrence Livermore National Laboratory

Более того, исследование, проведенное министерством энергетики США, мягко рекомендует задаваться не вопросом, «когда же у NIF это все-таки получится», а «возможно ли в принципе получить термоядерную энергию таким образом». Проще говоря, новостей от этого проекта можно уже не ждать.

Термоядерные стартапы

Частные компании экспериментируют с другими конструкциями реакторов и типами топлива, привлекают частных инвесторов вместо государственных миллиардов и обещают показать работающие прототипы в ближайшие годы.

TAE Technologies существуют с 1998 года и регулярно публикуются в научных журналах. Их технология термоядерного синтеза основана на слиянии ядер водорода и бора, она позволяет уменьшить потери энергии с потоком нейтронов, однако требует более высокой температуры для протекания реакции, чем другие технологии, — 3 миллиарда градусов Цельсия. Достичь и удержать нужную температуру — это и есть задача, над которой сейчас работают TAE Technologies.

Одним из инвесторов компании, по утверждению Forbes, является РОСНАНО, что подтверждает список совета директоров компании, в который входит Анатолий Чубайс. Кроме того, в TAE Technologies вложились Пол Аллен, соучредитель Miscrosoft, и банк Goldman Sachs. С 2014 года TAE Technologies сотрудничает с Google: в подборе параметров для экспериментов физикам помогает искусственный интеллект.

TAE Technologies надеются сделать прототип реактора в 2020-х годах. Канадская компания General Fusion называет похожие сроки: она обещает, что прототип реактора заработает уже через 3−5 лет. Для их технологии термоядерного синтеза не нужны дорогостоящие сверхпроводящие магниты, без которых не были бы возможны токамаки и стеллараторы или мощные лазеры, как в проекте National Ignition Facility.

В реакторе General Fusion жидкий металл разгоняется и закручивается в сферической камере. В образовавшуюся воронку с обоих концов впрыскивается дейтерий-тритиевая плазма. Посредине ее удерживает магнитное поле, а 200 пневматических поршней пускают по расплавленному металлу акустические волны, которые схлопывают воронку. Из-за сжатия плазма нагревается до 150 миллионов градусов, что запускает термоядерную реакцию.

Один из инвесторов General Fusion — Джефф Безос, основатель интернет-магазина Amazon и аэрокосмической компании Blue Origin.

Среди других частных компаний можно отметить Helion Energy: она обещает рабочий прототип термоядерного реактора через шесть лет.

Реактор в гараже

Наконец, в новостях то и дело можно услышать что-нибудь вроде: «Школьник собрал термоядерный реактор в 13 лет!» или «Любители сделали термоядерный реактор в гараже» и подобные. В таких случаях речь идет о фузорах Фарнсуорта-Хирша. Топливо в фузоре ионизируется напряжением между двух металлических сеток в вакуумной камере, положительно заряженные ионы ускоряются, и при их столкновении в центре камеры между ними может проходить реакция термоядерного синтеза.

«Термоядерный реактор своими руками» — звучит круто, но в плане производства энергии толку от фузоров нет, хотя в практическом смысле они могут использоваться как источники нейтронов.

Какие из всех этих проектов действительно «взлетят», а кого постигнет участь NIF, предсказать сложно. Остается ждать, надеяться и следить за новостями: 2020-е обещают стать интересным временем для ядерной энергетики.

«Ядерные технологии» — один из профилей Олимпиады НТИ для школьников.

Добавить в закладки
Комментарии
...
Вам понравилась публикация?
Расскажите что вы думаете и мы подберем подходящие материалы