Когда мы думаем о долгосрочном решении наших энергетических потребностей, ни один из сегодняшних вариантов не является настолько хорошим.
Я бы хотел, чтобы ядерный синтез стал практичным источником энергии. Это обеспечило бы неисчерпаемый запас энергии без загрязнения окружающей среды или глобального потепления.
- Стивен Хокинг
Давайте на мгновение представим, что климат не имеет значения. Что мы полностью игнорируем связь между углекислым газом, атмосферой Земли, парниковым эффектом, глобальными температурами, подкислением океана и повышением уровня моря. С долгосрочной точки зрения, нам все равно нужно было бы планировать наше энергетическое будущее. Ископаемое топливо, на долю которого сегодня приходится большая часть мировой энергетики, является богатым, но принципиально ограниченным ресурсом. Возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра, солнца и гидроэлектростанции, имеют различные ограничения: они непоследовательны. Однако существует долгосрочное решение, которое преодолевает все эти проблемы: ядерный синтез.
Может показаться, что проблема ископаемого топлива очевидна: мы не можем просто производить больше угля, нефти или природного газа, когда наши нынешние запасы заканчиваются. Вот уже три столетия мы сжигаем практически все, до чего можем дотянуться, и эта проблема будет усугубляться. Несмотря на то, что у нас есть еще сотни лет, прежде чем мы все закончим, это количество не безгранично. Существуют также законные экологические проблемы, не связанные с потеплением.
Сжигание ископаемого топлива приводит к загрязнению окружающей среды, поскольку эти источники топлива на основе углерода содержат в своем химическом составе гораздо больше, чем просто углерод и водород, и при их сжигании (для выработки энергии) также сжигаются все примеси, выбрасывая их в воздух. Кроме того, процесс очистки и/или экстракции является грязным, опасным и может привести к загрязнению грунтовых вод и целых водоемов, таких как реки и озера.
Ветряные электростанции, как и многие другие источники возобновляемой энергии, зависят от окружающей среды непоследовательным, неконтролируемым образом. Автор изображения: Уинчелл Джошуа, Служба охраны рыбного хозяйства и дикой природы США.
С другой стороны, возобновляемые источники энергии непоследовательны даже в своих лучших проявлениях. Попробуйте включить электросеть в сухое, пасмурное (или ночное) время, а также в периоды сильной засухи, и вы обречены на неудачу. Сам масштаб возможностей аккумуляторных батарей, необходимых для питания даже одного города в условиях недостаточной выработки энергии, устрашает. Одновременно с этим последствия загрязнения окружающей среды, связанные с созданием солнечных панелей, производством ветряных или гидроэлектрических турбин и (особенно) с созданием материалов, необходимых для хранения большого количества энергии, также огромны. Даже то, что рекламируется как “зеленая энергия”, не лишено недостатков.
Но всегда есть ядерный вариант. Самого этого слова достаточно, чтобы вызвать бурную реакцию у многих людей: ядерный. Идея ядерных бомб, радиоактивных осадков, обвалов и катастроф вроде Чернобыля, Три—Майл—Айленда и Фукусимы - не говоря уже об остаточном страхе времен холодной войны - делает “НИМБИ” позицией по умолчанию для большого числа людей. И это опасение не совсем беспочвенно, когда речь заходит о ядерном расщеплении. Но деление - не единственная игра в городе.
В 1952 году Соединенные Штаты взорвали "Айви Майк" - первую продемонстрированную реакцию ядерного синтеза, произошедшую на Земле. В то время как ядерное деление включает в себя взятие тяжелых, нестабильных (и уже радиоактивных) элементов, таких как торий, уран или плутоний, инициирование реакции, которая заставляет их распадаться на более мелкие, также радиоактивные компоненты, выделяющие энергию, ничто, участвующее в термоядерном синтезе, вообще не является радиоактивным. Реагентами являются легкие, стабильные элементы, такие как изотопы водорода, гелия или лития; продукты также легкие и стабильные, такие как гелий, литий, бериллий или бор.
До сих пор деление происходило либо в безудержной, либо в контролируемой среде, с легкостью преодолевая точку безубыточности (когда выход энергии превышает входную), в то время как термоядерный синтез никогда не достигал точки безубыточности в контролируемых условиях. Но появились четыре основные возможности.
Термоядерный синтез с инерционным удержанием. Мы берем гранулу водорода — топливо для этой термоядерной реакции — и сжимаем ее с помощью множества лазеров, которые окружают гранулу. Сжатие приводит к слиянию ядер водорода с более тяжелыми элементами, такими как гелий, и высвобождает прилив энергии.
Термоядерный синтез с магнитным удержанием. Вместо того чтобы использовать механическое сжатие, почему бы не позволить электромагнитной силе выполнить ограничивающую работу? Магнитные поля удерживают перегретую плазму из легкоплавкого материала, и внутри реактора типа Токамака происходят реакции ядерного синтеза.
Сплав намагниченной мишени.
В MTF создается перегретая плазма, которая удерживается магнитным полем, но поршни, окружающие ее, сжимают топливо внутри, создавая взрыв ядерного синтеза внутри.
Подкритический термоядерный синтез. Вместо того чтобы пытаться запустить термоядерный синтез с помощью тепла или инерции, подкритический термоядерный синтез использует подкритическую реакцию деления — с нулевой вероятностью расплавления — для запуска термоядерной реакции.
Первые два исследовались на протяжении десятилетий и являются наиболее близкими к желанной точке безубыточности. Но последние два являются новыми, причем последний привлек много новых инвесторов и стартапов в этом десятилетии.
Даже если вы отвергаете науку о климате, проблема обеспечения мира энергией, причем устойчивым, не загрязняющим окружающую среду способом, является одной из самых сложных в долгосрочной перспективе, стоящих перед человечеством. Ядерный синтез как источник энергии никогда не получал необходимого финансирования для его реализации, но это единственное физически возможное решение наших энергетических потребностей без очевидных недостатков. Если мы сможем выбросить из головы идею о том, что “ядерный” означает “потенциальная катастрофа”, люди со всего политического спектра, возможно, смогут объединиться и решить наши энергетические и экологические потребности одним ударом. Если вы считаете, что правительство должно инвестировать в науку с выгодой для себя на национальном и глобальном уровнях, вы не сможете добиться большего, чем рентабельность инвестиций, которая была бы получена от успешных исследований в области термоядерного синтеза. Физика работает прекрасно; теперь нам просто нужны инвестиции и инженерные прорывы.
_______________________________________