Антон Первушин - Кто угрожает России? Вызовы будущего
Установка ITER – воистину мегамашина. Ее вес составляет 19 000 тонн, внутренний радиус тороидальной камеры – 2 метра, внешний – больше 6 метров. Сооружение реактора займет десять лет, первые эксперименты начнутся не ранее 2015 года и продлятся пару десятков лет.
Проблемы и сложности эксплуатации такой установки связаны прежде всего с тем, что мощный поток высокоэнергетических нейтронов и выделяющаяся энергия (в виде электромагнитного излучения и частиц плазмы) серьезно воздействуют на реактор и разрушают материалы, из которых он создан. Вторая основная проблема состоит в обеспечении высокой прочности конструкционных материалов реактора при длительной (в течение нескольких лет) бомбардировке нейтронами и под воздействием потоков тепла.
Однако ожидаемый результат должен окупить затраты. ITER сможет производить 200 000 кВт/час, что эквивалентно энергии, содержащейся в 70 тоннах угля. Требуемое для этого количество лития содержится в одной мини-батарейке для компьютера, а количество дейтерия – в 45 литрах воды. Указанная выше величина соответствует современному потреблению электроэнергии (в пересчете на одного человека) в странах Евросоюза за 30 лет! Максимальная же мощность ITER может составить 500 МВт.
Сам факт, что столь ничтожное количество лития и воды может обеспечить выработку такого количества электроэнергии (без малейшего загрязнения атмосферы, между прочим), является достаточно серьезным аргументом для быстрейшего освоения и развития термоядерной энергетики, несмотря на вышеперечисленные сложности и проблемы.
При этом дейтерия должно хватить на миллионы лет, а запасы легко добываемого лития вполне достаточны для обеспечения потребности в нем в течение сотен лет. Даже если запасы лития в горных породах иссякнут, физики смогут добывать его из морской воды, где он содержится в достаточно высокой концентрации.
Разумеется, создатели ITER уделяют особое внимание вопросам безопасности. К счастью, обеспечить ее гораздо проще, чем построить реактор. Используемая в термоядерных установках плазма имеет очень низкую плотность (примерно в миллион раз ниже плотности атмосферы), вследствие чего рабочая среда установок никогда не будет содержать в себе энергии, достаточной для возникновения серьезных аварий. Кроме того, загрузка топливом должна производиться непрерывно, что позволяет легко останавливать работу реактора, не говоря уже о том, что в случае аварии или резкого изменения условий окружения термоядерное «пламя» просто погаснет.
Тем не менее, опасности есть.
Во-первых, следует отметить, что хотя продукты синтеза (гелий и нейтроны) не являются радиоактивными, оболочка реактора при длительном нейтронном облучении может таковой стать. Эту проблему предполагается решить при подборе для оболочки материалов с заданными свойствами – за счет такой оптимизации можно обеспечить накопление радиоактивных продуктов с периодом полураспада не выше 10 лет.
Во-вторых, тритий является радиоактивным и имеет период полураспада 12 лет. Но хотя объем используемой плазмы значителен, из-за ее низкой плотности там содержится лишь очень небольшое количество трития (общим весом в десять почтовых марок). Поэтому даже при самых тяжелых ситуациях и авариях (полное разрушение оболочки и выделение всего содержащегося в ней трития) в окружающую среду поступит лишь незначительное количество топлива, что не потребует эвакуации населения из близлежащих населенных пунктов.
Так или иначе, но ITER будет построен. И не может не радовать, что в этом проекте будущего принимает участие наша страна. Общий вклад России сравнительно невысок – 17 %, а в строительство реактора мы готовы вложить только 10 % из бюджета в 4,8 миллиарда евро, что гораздо меньше, чем вкладывают европейцы или японцы, однако без нас этот проект в принципе не может быть реализован на современном этапе – только российские специалисты обладают глубоким многолетним опытом по созданию больших сверхпроводящих магнитов, без которых нельзя удержать плазму в шнуре (спасибо токамакам!), и уникальными технологиями по обработке бериллия (спасибо ракетно-космической программе!). Кроме того, наши ученые взялись оборудовать реактор системами диагностики и контроля плазмы.
* * *Интересно, что у ITER уже появился конкурент. Им может стать сверхмощный лазер, создаваемый в рамках проекта US National Ignition Facility (NIF), что переводится как «Национальная зажигательная установка». Проект, который ведет Ливерморская Национальная лаборатория имени Лоуренса в Калифорнии, является результатом сотрудничества правительства США с крупными индустриальными корпорациями и научным сообществом страны. Строительство лазерной установки продолжалось 12 лет и завершилось в апреле 2009 года. На лазерный комплекс было потрачено 3,5 миллиарда долларов.
Зачем же понадобились такие расходы? Оказывается, NIF тоже способен обеспечить управляемый термоядерный синтез, но несколько иным, чем ITER, путем. Еще в 1960 году Андрей Сахаров показал, что реакцию можно получить, не удерживая плазму магнитным полем, а позволяя ей свободно разлетаться во все стороны. При этом разлету плазмы препятствует инерция ее частиц, обладающих массой. Вместо очень разреженной, но долго удерживаемой магнитным полем плазмы предлагается противоположное ее состояние – очень плотная и короткоживущая. А результат будет тот же – превышение энергии, выделяемой в реакциях синтеза, над энергетическими затратами.
Конкретный путь реализации «инерционного термояда» был указан советскими физиками Николаем Басовым и Олегом Крохиным в 1962 году – обжимать и нагревать дейтерий-тритиевые «мишени» (размером в 1 миллиметр) мощными лазерными пучками. Это направление получило название «лазерного термояда».
За прошедшие полвека лазерный метод проделал большой путь. Были созданы многопучковые установки, которые позволяли синхронно сбрасывать импульсы лазерного излучения на сферические мишени, добиваясь их равномерного сжатия и разогрева. Были разработаны сверхкороткие импульсные лазеры, наиболее пригодные для «зажигания» термоядерной реакции, и многослойные мишени, сжимаемые равномерно без потери формы.
В основе NIF – 192 мощных лазера, которые будут одновременно направляться на миллиметровую сферическую мишень (около 150 микрограммов термоядерного топлива – смесь дейтерия и трития). Температура мишени достигнет в результате 100 миллионов градусов, при этом давление внутри шарика в 100 миллиардов раз превысит давление земной атмосферы. То есть условия в центре мишени будут сравнимы с условиями внутри Солнца.
Первый цикл целевых испытаний NIF начался летом 2009 года, а попытка получить термоядерный синтез с положительным энергетическим сальдо запланированы на 2010 год.
Эксперты, правда, указывают, что главный недостаток такого рода установок – слабое поглощение лазерного излучения горячей плазмой: чем выше ее температура, тем меньше она «замечает» лазерный луч, проходящий через нее. Велики потери и на отражение от холодной короны, образованной вокруг мишени.
Впрочем, даже если американским ученым не удастся запустить термоядерный синтез в фокусе своего суперлазера, он найдет множество других применений, ведь в отличие от чисто гражданского реактора ITER этот проект курируют военные из Пентагона…
* * *Как видите, и магнитный термояд, и инерционный лазерный термояд требуют серьезных капиталовложений и большого строительства, поэтому постоянно всплывает тема «холодного» термояда, который действительно смог бы сделать фантастику реальностью.
Говоря о холодном термояде, нужно сразу отметить, что под этим термином понимаются самые разные реакции, и зачастую происходит путаница.
Направление, получившее название холодного термояда, или, что более правильно, мюонного катализа, было предложено Андреем Сахаровым и Яковом Зельдовичем в 1957 году. Суть его заключается в использовании нестабильной частицы – отрицательно заряженного мюона, масса которого в 200 раз больше массы электрона. Мюон по своим свойствам очень похож на электрон (его называют тяжелым электроном), в частности, он может замещать электрон в атоме, но по закону квантования радиус мюонной орбиты в 200 раз меньше, чем электронной. Атомы дейтерия и трития, в которых место электрона занял мюон, могут объединяться в молекулы, где ядра дейтерия и трития (по той же причине) сближены в 200 раз. В горячей плазме при таком сближении ядерная реакция не пойдет, но в мезомолекуле дейтерий и тритий постоянно находятся на таком расстоянии и могут, «почувствовав» друг друга, с заметной вероятностью осуществить «туннельный переход», вступив в реакцию. При этом образуются ядро гелия и нейтрон, выделится энергия синтеза, а мюон, ставший вновь свободным, может сесть на орбиту соседнего атома, заменив в нем электрон. Всё повторится – произойдет новое сближение ядер и новая реакция синтеза. Таким образом, мюон может выступать ядерным катализатором. За время своей короткой жизни (2 микросекунды) мюон успевает осуществить до ста реакций! При этом не нужны сверхвысокие температуры, нет надобности в капризной плазме и сильных магнитных полях. Но эта кажущаяся простота не дается даром – нужны интенсивные потоки мюонов, которые можно получить только на ускорителях во взаимодействии энергичных протонов с ядрами, а значит, снова понадобятся значительные финансовые расходы и большие стройки – без уверенности в конечном успехе.
