Термоядерний реактор – реактор майбутнього
Сонце – це розпечена газова куля, яка щосекунди виділяє стільки енергії – скільки людству вистачило б на мільйон років. Такий неймовірний обсяг енергії вивільняється завдяки термоядерного синтезу і ядерних реакціях, які відбуваються в його надрах вже близько 5 мільярдів років.
Що таке термоядерний синтез?
Термоядерний синтез – це процес, в якому ядра легких атомів зливаються один з одним утворюючи важчі атоми. Це злиття супроводжується виділенням великої кількості енергії.
Ще в середині 20 століття людство хотіло приручити це джерело енергії, відтворивши технологію роботи нашого Сонця. Говорячи простою мовою, для цього було потрібно нагріти суміш певних речовин (наприклад, дейтерій і тритій) до температури в 50 мільйонів градусів і вище, тим самим перетворивши їх в плазму. Така висока температура здатна сильно розігнати легкі атоми, щоб ті подолали «кулонівський бар`єр» і зблизилися на відстань, достатню для виникнення термоядерної реакції.
Минуло вже більше 60 років, з тих пір, як вперше був застосований термоядерний синтез, але ми так і не навчилися контролювати цю реакцію, щоб отримувати з неї необхідні нам блага у вигляді енергії і відмовитися від джерел, що забруднюють нашу планету. До числа подібних осередків можна віднести і сучасну атомну енергетику, яка використовує ядерну реакцію поділу.
Основні побоювання, з приводу сучасної ядерної енергетики, породили аварії в Чорнобилі в 1986 році і на Фукусімі в 2011 році. Зокрема, катастрофа на Фукусімі зруйнувала міф про атомні реактори з нульовим ризиком. Але крім значних ризиків для безпеки, ці реактори також мають проблеми з утилізацією відходів та перекачують величезна кількість води. Інший важливий момент полягає в тому, що основним джерелом палива для сучасних атомних реакторів служить Уран-235, запасів якого навряд чи вистачить на найближче сторіччя. Саме тому майбутнє, з розвиненою термоядерної енергетикою, виглядає таким привабливим, а термоядерний реактор багато хто вважає єдиним можливим реактором майбутнього.
Однак, на відміну від ядерної реакції поділу, яка використовується в сучасних атомних електростанціях, ядерний синтез виявився міцним горішком. Багато десятиліть вчені з усього світу ламають голови розробляючи технології, для отримання стабільної і безпечної реакції. Було придумано кілька видів реакторів, але жоден з них не годиться для практичного застосування.
Термоядерний реактор
Дейтерій (2H) і тритій (3H) – це ізотопи першого і найлегшого хімічного елемента – гідрогену (водню), саме їх комбінація зарекомендувала себе на роль джерела енергії майбутнього (розглядаються і інші типи реакцій). При кожному злитті дейтерію і тритію утвориться нейтрон і ядро гелію, а також 17, 6 МеВ енергії.
Якщо порівняти термоядерний і ядерний реактор, то з одного кілограма вихідної суміші в термоядерному реакторі буде утворюватися в три рази більше енергії, ніж в ядерному. Для порівняння з іншими джерелами енергії, уявіть, що 86 грам дейтерій-тритієвої суміші вироблятиме таку ж кількість енергії, як при спалюванні 1000 тонн вугілля.
Але як згадувалося вище, щоб користуватися цією енергією, потрібно розробити реактор, який би працював стабільно і безпечно. Однак це не просте завдання, тому що для утримання неймовірно гарячої плазми, потрібно було створити особливу посудину.
Токамак
Радянські вчені запропонували ідею магнітного утримання плазми ще в 1950, а вже в 1958 році була побудована перша в світі експериментальна термоядерна установка – «Токамак Т1». Конструкція являла собою тороідальну камеру з магнітними котушками, в якій плазма мала утримуватися не стінками камери, а спеціально створюваним комбінованим магнітним полем – тороідальним зовнішнім і полоідальним полем струму, що протікає по плазмовому шнурі. Концепція була доволі успішною, тому призвела навіть до створення близько 300 токамаков по всьому світу. Варто зазначити, що перші розробки установки «Токамак» були спроектовані українським фізиком Олегом Лаврентьєвим.
Однак через те, що повністю контролювати поведінку плазми вченим не вдається – вихід енергії при термоядерному синтезі виходить нестабільним і неоднорідним. Навіть такий тугоплавкий метал, як вольфрам, не витримує навантаження, яке створюють потоки плазми в експериментах, а це призводить до цілого ряду додаткових проблем, одна з них – руйнування першої стінки в токамаках.
Стеларатор
Стеларатор відрізняється від токамака тим, що магнітне поле для ізоляції плазми від внутрішніх стінок тороідальної камери повністю створюється зовнішніми котушками, дозволяючи використовувати його в безперервному режимі. Його силові лінії піддаються обертального перетворення, в результаті якого ці лінії багаторазово обходять уздовж тора і утворюють систему замкнутих вкладених один в одного тороїдальних магнітних поверхонь.
Сама концепція стелараторів виникла в середині 20 століття, але істотний прогрес в їх поліпшенні був досягнутий лише на початку 21 століття завдяки розвитку комп`ютерних технологій, а зокрема, графічних програм.
У той час як токамак працює в імпульсному режимі (через те, що там відбуваються зриви плазми), стеларатор є стаціонарною машиною (теоретично), за умови, що там вдасться реалізувати стелараторну конфігурацію.
Основним недоліком стелараторів є їх маловивчена робота в дії. Конструкція стелараторів виявилася настільки складною, що рівень розвитку техніки довгий час не дозволяв його побудувати. Тож не дивно, що вивчення термоядерного синтезу на стелараторах було закинуто, в той час, як на токамаках воно не зупинялося. Ймовірно, з цієї причини наймасштабніший проект в цій галузі – ITER (МЕТР – Міжнародний експериментальний термоядерний реактор) взяв за свою основу токамак, а не стеларатор.
Міжнародний експериментальний термоядерний реактор ITER
ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) – це міжнародний мегапроект з дослідження термоядерного синтезу, який стане самим гігантським термоядерним реактором за всю історію людства. У його будівництві бере участь 35 країн, так як, ще в середині сімдесятих стало ясно, що одна країна навряд чи здатна вирішити цю проблему.
Для розміщення гігантського реактора пропонувалися різні майданчики, але в підсумку «будівництво століття» було вирішено почати на півдні Франції. Будівництво стартувало в 2007 році, але з тих пір ITER зіткнувся з технічними затримками, відставанням від графіка, зміною керівництва і збільшенням витрат, які виросли з первісної оцінки в п`ять мільярдів євро до приблизно 20 мільярдів євро.
Але це не дивно, адже це найдорожчий і найбільш масштабний науковий проєкт за який взялася людство. Згідно з розрахунками, важити він буде як три Ейфелевих вежі – 23000 тон, діаметр самого реактора сягатиме 20 метрів в ширину і 60 метрів у висоту. Обсяг плазми, яку вчені планують отримувати на цій установці оцінюється в 840 кубічних метрів, що в 10 разів більше, ніж на найбільшому сучасному токамакі, наявному зараз. Термоядерна реакція в надрах токамака ITER буде відбуватися при немислимих 150 мільйонах градусів Цельсія.
Щоб утримувати такий обсяг плазми, магнітне поле на ITER буде приблизно в 200 разів більше, ніж у Землі. Таких показників вдасться досягти використовуючи кілька сотень тонн надпровідників. Як вже можна зрозуміти, це ноу-хау буде використовувати всі передові технології і останні напрацювання досягнуті людством у науці.
Однак які б зусилля не були задіяні для будівництва ITER, цей реактор є лише першим кроком у термоядерне майбутнє. Основна причина його створення полягає у вивченні поведінки плазми на надвисоких термоядерних температурах, і тільки якщо випробування пройдуть успішно, то почнеться будівництво першого демонстраційного реактора. На поточний момент проєкт ITER завершений приблизно на 70%.
Інші розробки
Токамаки і стеларатори не єдині в своєму роді. Крім них є ще кілька напрямків, в яких ведуться дослідження термоядерного синтезу.
Інерційний термоядерний синтез (ICF) – це тип досліджень, присвячений вивченню термоядерного синтезу, в якому робляться спроби ініціювати реакції злиття шляхом нагрівання і стиснення паливної мішені (зазвичай у формі таблетки), яка найчастіше містить суміш дейтерію і тритію. Типові паливні таблетки мають розмір шпилькової головки і містять близько 10 міліграмів палива. Найчастіше, в системах ICF використовується один лазер, промінь якого поділяється на кілька потоків, які згодом індивідуально посилюються в трильйон разів або більше. Одна з останніх ICF установок будується у Франції і називається Laser Mégajoule.
Магнітоінерціальне злиття (MIF) описує клас термоядерних пристроїв, які поєднують в собі аспекти термоядерного синтезу та інерціального термоядерного синтезу (ICF) в спробі знизити вартість термоядерних пристроїв.
Злиття намагнічених мішеней (MTF) – це концепція термоядерного синтезу, яка поєднує в собі особливості синтезу з магнітним утриманням і синтезу з інерційним утриманням (ICF). Подібно магнітному підходу, термоядерне паливо при більш низькій щільності обмежене магнітними полями і нагрівається до стану плазми. Як і в разі інерційного підходу, плавлення ініціюється швидким стисненням цілі, що значно збільшує щільність палива і температуру.
Висновок
Як тільки термоядерні реактори стануть реальністю, вони абсолютно змінять глобальний енергетичний баланс, який закладе основу для революції в області чистої енергії. Будучи безпечним джерелом, котрий не потребує кисню, який не виробляє довгоіснуючих радіоактивних відходів, термоядерний синтез в кінцевому підсумку призведе до старіння електростанцій, що працюють на викопному паливі та ядерних установок на основі урану. Він стане джерелом, який зможе дати нам стабільну енергію в майже необмежених масштабах.
