Названы основные проблемы термоядерной энергетики и сроки их решения

Европейский токамак JET, который вносит свою лепту в развитие науки о термоядерном синтезе

Европейское содружество по развитию термоядерной энергетики EFDA опубликовало предполагаемый план перехода от первого экспериментального реактора к полноценным электростанциям. По оценкам экспертов, на это потребуется 30 лет - реальностью термоядерная электроэнергетика станет к 2050 году.

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.

Поджечь термоядерную реакцию так, чтобы она оправдала затраты энергии, но не оставила на месте лаборатории радиоактивную воронку, планируется к 2020 году - произойдет это, по оценкам EFDA, на строящемся сейчас во Франции международном экспериментальном реакторе ITER. Этот научный мегапроект финансирует ряд стран, среди которых есть и Россия; многие физики вполне серьезно говорят о том, что параметры реактора могут сделать реальностью управляемую реакцию с выделением энергии в большем объеме, чем требуется для работы самой установки.

Но это еще не электростанция: от того, что реактор будет хорошо греться и выдавать ионизирующее излучение, толку немного. Надо еще будет научиться эту энергию использовать, для чего планируется построить установку с кодовым названием DEMO - она станет чем-то вроде первых АЭС, которые еще не могли конкурировать с традиционными тепловыми и гидроэлектростанциями, но которые уже выдавали мегаватты энергии в общую сеть.

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.

Проблема первая - излучение

Работающий термоядерный реактор представляет собой маленькую звезду, только вместо шара в реакторах данного типа, токамаках, будет висеть в магнитном поле тор, бублик из нагретой до миллионов градусов плазмы. Температура при этом не столь страшна, так как в рабочей камере невелика плотность вещества - а вот радиация совсем другое дело. Даже лучшие сорта стали в интенсивном потоке нейтронов и гамма-квантов меняют свою структуру, металл стремительно теряет прочность и в нем могут появляться трещины. Если реактор на электростанции придется менять через пару недель работы, то термоядерная энергетика окажется экономически бессмысленной затеей; на поиск рецептов радиационноупорной стали отводится примерно 20 лет - от начала работы ITER до постройки DEMO к 2040 году.



Кстати, рецепты стали подразумевают не просто поиск какого-то сочетания металлов - "возьмите столько-то железа, столько-то углерода, добавьте молибден и щепотку ванадия". Сюда могут быть включены особые условия выплавки и обработки поверхности, причем все это ищется не вслепую, а с использованием фундаментальных знаний о структуре сплавов, о их превращениях, росте кристаллов и так далее.

Проблема вторая - поведение плазмы

В общих чертах выбранная для ITER схема токамака выглядит просто - плазму сворачивают в бублик и греют высокочастотным током, примерно как в гигантской микроволновке. Но вот устойчивость и стабильность такого бублика вызывает пока вопросы. Предполагается, что ITER позволит ученым научится управлять плазмой так, чтобы минимизировать потери. Кстати, нелишним будет уточнить вопрос безопасности: одним из фундаментальных достоинств токамака является то, что даже контакт плазмы со стенками вовсе не приведет к катастрофе - несмотря на свою температуру, плазма не сможет моментально прожечь корпус и вырваться наружу, сжигая все на своем пути. Ее плотность и, как следствие, масса, слишком невелики для этого.

Проблема третья - наработка топлива

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.

Проблема четвертая - безопасность

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.

Проблема пятая - отвод тепла

"Обмотать реактор трубами" тоже не очень-то просто. Мало того, что потребуется специальная сталь, так еще и вариант с водой может быть далеко не идеален. В некоторых АЭС, например, в первом контуре, то есть в трубах внутри самого реактора, циркулирует жидкий натрий: а ведь возможны варианты с охлаждением реактора и не жидкостью, а газом. Какие именно вещества использовать для отвода тепла, как расположить трубопроводы - часть ответов на эти вопросы будет получена даже не на ITER или DEMO, а на других установках. Например, уже сейчас на других экспериментальных установках меньшего масштаба проверяется принципиальная возможность ряда альтернативных традиционным трубам с водой схем.