Мечта о безграничной энергии стала на шаг ближе к реальности. Институт физики плазмы АНКИ вместе с новым токамаком COMPASS Upgrade откроет эру энергии завтрашнего дня. Как будут работать электростанции будущего и в чем будут их преимущества перед нынешними? Ответы даст один из самых сложных и технически сложных экспериментов по исследованию термоядерного синтеза.
Обычная пол-литровая ПЭТ-бутылка. Его цель ясна: открыть крышку и выпить. Вероятно, мало кто в тот момент задумывался, что это одновременно израсходовало потенциальный источник энергии для всего семейного дома в течение одного года. Благодаря ей в будущем он тоже сможет проехать 30 000 километров. Ни о какой алхимии речь не идет, мы остаемся в области физики, конкретно ядерной.
В основном состоянии воды на атом дейтерия приходится в среднем около шести тысяч атомов водорода. Этот элемент вместе с литием, находящимся в земной коре, используется в качестве топлива для термоядерного синтеза. Это процесс, при котором атомные ядра более легких элементов сливаются с ядрами более тяжелых элементов, высвобождая при этом энергию. Соединение ядер похоже на попытку соединить два магнита с одинаковыми полюсами. Для этого требуется действительно экстремальная сила, которая достигается за счет высокой температуры и давления.
В будущем термоядерный синтез может стать важным источником относительно безопасной и экологически чистой энергии. В экспериментальных установках, называемых токамаками, условия для ее достижения изучаются уже более 60 лет. Хотя до его полного использования в виде прототипа термоядерной электростанции DEMO осталось два-три десятка лет, вскоре мы хотя бы немного приблизимся к нему — благодаря токамаку ИТЭР, первой энергоэффективной экспериментальной установке.
Первый опыт
Строительство ИТЭР (Международного термоядерного экспериментального реактора) во французском городе Кадараш началось 14 лет назад. Создание первой плазмы ожидается в 2026 году, а достижение всех научных целей — к 2036 году. Это крупнейший международный научный проект в истории. Участвуют Европейский Союз, США, Россия, Китай, Индия, Япония, Южная Корея и другие страны. Важную роль в этих исследованиях играют и чехи — в том числе благодаря токамаку COMPASS, расположенному в одном из пражских корпусов Института физики плазмы АНКИ. Чешский токамак, например, помог выяснить, как очень горячая плазма взаимодействует со стенкой реактора. Это важно, поскольку в токамаке ИТЭР стенки будут облицованы специальными бериллиевыми пластинами, которые будут находиться в интенсивном контакте с плазмой в начальной фазе разряда. При моделировании этой фазы разряда на нынешнем крупнейшем в Европе токамаке JET под Оксфордом было обнаружено, что по неизвестным причинам часть пластин плавится и повреждается.
«Мы экспериментально обнаружили и описали новое физическое явление, вызвавшее эту проблему на нашем токамаке. Впоследствии мы предложили конструктивные модификации ИТЭР, которые устранят это явление», — вспоминает Радомир Панек, директор Института физики плазмы ASCR. «Изначально коллеги из организации ИТЭР просили нас провести меньшую серию экспериментальных ударов, но это закончилось очень подробным экспериментальным и теоретическим исследованием, длившимся несколько месяцев, в котором сотрудничали многие коллеги со всего мира», — добавляет Мартин Хрон, руководитель отдел токамаков Института физики плазмы.
Как на краю Солнца
Так же, как КОМПАС внес свой вклад в развитие французского ИТЭР, новый токамак в пражском Ладви будет, помимо поддержки проекта ИТЭР, заниматься в первую очередь решением проблем с реализацией проекта ДЕМО. «Плазма на обоих объектах будет во многом схожа. Европа планирует начать строительство проекта DEMO примерно в 2040 году, и это будет уже не классический научный эксперимент, а прежде всего прототип коммерческого реактора. Целью нашего объекта будет решение некоторых проблем, связанных с его строительством», — объясняет Радомир Панек.
Один из них, например, связан с отводом энергии от плазмы - то есть, как получить из плазмы огромное количество энергии, в которой протекают термоядерные реакции, не повреждая стенки и другие компоненты реактора для производства электроэнергии . Материалы внутренних стенок токамака будут термически напряжены, как если бы они лежали на краю Солнца. Новый чешский токамак уже включен в европейскую дорожную карту по реализации термоядерной энергии и станет частью крупнейшего европейского исследовательского консорциума EUROfusion.
Среди прочего, он будет служить европейским испытательным полигоном для использования технологии жидких металлов в термоядерных установках. В современных обычных токамаках используются детали из прочного вольфрама для наиболее термически напряженной зоны — так называемого дивертора. ИТЭР будет использовать ту же технологию. Однако мы уже сегодня знаем, что этого решения недостаточно для DEMO, и поэтому разрабатывается метод самовосстановления поврежденных поверхностей с использованием так называемых жидких металлов. Конкретно это означает, что пластины дивертора будут изготовлены из пористого вольфрама, по которому из резервуара за счет капиллярных сил будет подниматься жидкий металл - сплав лития и олова. При этом на поверхности образуется тонкий слой, с которым будет взаимодействовать падающая плазма. Если этот слой поврежден или испарился, он немедленно восстановится.
Исследователи уже успешно опробовали технологию на токамаке COMPASS, где доказали, что она способна выдерживать тепловые потоки до 15 МВт/м2 в краткосрочной перспективе. «В новом токамаке COMPASS Upgrade мы будем тестировать технологию в условиях, аналогичных условиям термоядерного реактора, и в большем масштабе», — добавляет Радомир Панек.
Безопаснее, чем ядерная энергия
Разработка термоядерного источника энергии ведется с 1950-х годов, и с тех пор был достигнут значительный прогресс. Следующим важным шагом будет запуск токамака ИТЭР, который должен производить 500 МВт термоядерной энергии, т.е. примерно в десять раз больше энергии, чем в него вкладывается. ИТЭР стремится продемонстрировать технологическую осуществимость такого источника энергии. «Поскольку исследования термоядерного синтеза происходят в глобальном масштабе, в основном вокруг нескольких относительно дорогих экспериментов, они могут быть очень дорогостоящими. Однако по сравнению с общими расходами на развитие других источников энергии они не отличаются сколько-нибудь значительным образом», — говорит Радомир Панек. Кроме того, из-за своей сложности он поддерживает исследования в ряде других, казалось бы, не связанных между собой областей, таких как космические исследования. Будущие термоядерные электростанции будут частично аналогичны нынешним ядерным. Однако, в отличие от них, они предлагают несколько важных преимуществ. Во-первых, это безопасность. «Такого взрыва, как в Чернобыле, быть не может», — уверяет Мартин Грон. «Процесс, происходящий в реакторе, будет совершенно другим, чем в реакторе деления. Это будет похоже на сжигание, когда мы будем постоянно добавлять топливо в плазму в небольших количествах, в граммах, и его подачу можно будет прервать в любой момент, тем самым прекратив идущую реакцию», — добавляет он.
Термоядерный синтез происходит только при очень высоких температурах плазмы. При любом нестандартном поведении плазмы, если, например, ученые потеряют контроль над ее положением, что впоследствии приведет к ее контакту со стенкой реактора, она тут же остынет, тем самым также прервав термоядерные реакции. Преимуществом перед атомными электростанциями является еще и то, что после слияния не остается опасных отходов. Образующийся гелий является безвредным газом, который также имеет другие промышленные применения. Таким образом, с экологической точки зрения термоядерный синтез является практически чистым и низкоэмиссионным источником энергии. Еще одним преимуществом является топливо, запасы которого у нас практически неисчерпаемы, и притом территориально распределены относительно равномерно.
Реакторы первого поколения будут использовать в качестве топлива изотопы водорода — дейтерий и тритий. Дейтерий можно относительно легко выделить из воды, а тритий будет производиться внутри реактора из атомов лития. Однако на пути к этому источнику энергии мечты все еще остается ряд проблем, которые необходимо будет решить в ближайшие как минимум два десятилетия. Исследователи из Института физики плазмы ASCR постараются помочь гарантировать, что одна бутылка воды заменит несравненно большее количество ископаемого топлива, такого как природный газ, уголь или нефть, когда-нибудь в будущем.
