Один из наиболее актуальных вопросов в современной мировой энергетике — о возможности получения энергии из термоядерной реакции. С этим источником энергии связываются большие надежды. Есть весьма широкий круг людей, — в том числе и крупных специалистов, — которые считают, что термоядерная реакция способна кардинально решить энергетические проблемы человечества, и потому призывают не жалеть денег на исследования в этой области.
Во Франции в настоящее время начинается реализация масштабного проекта ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), то есть строительство экспериментального термоядерного реактора в исследовательском центре в городе Кадараш, в провинции Прованс на юге Франции.
Создание таких термоядерных реакторов — это советская инициатива. В ноябре 1985 года СССР предложил странам, в которых велись исследования термоядерных реакций, создать реактор «Токамак» (тороидальная камера с магнитными катушками) нового поколения. Это замечательное решение приняли Генеральный секретарь ЦК КПСС Михаил Горбачев, президент Франции Франсуа Миттеран, президент США Джордж Буш-старший.
Идея пережила политическую карьеру всех трех лидеров. Но за это время состав участников изменился. Теперь в проекте участвуют: Евросоюз, США, Россия, Япония, КНР, Республика Корея, Индия. 25 мая 2006 года в Брюсселе было подписано соглашение о начале практической реализации проекта в 2007 году.
Стоимость проекта составляет 12 млрд. долларов, из которых 6 млрд. долларов внесет Франция. На долю России приходится 1,2 млрд. долларов, выплачиваемых из бюджета по Федеральной целевой программе «Международный термоядерный реактор ИТЭР».
Вокруг этого экспериментального реактора начались серьезные дебаты и серьезные спекуляции, как сторонников, так и противников термоядерной энергетики. По большей части, споры идут вокруг того, возможна или нет термоядерная реакция в таком реакторе.
Споры эти достаточно бессодержательны, поскольку уже есть способы получения термоядерной реакции. Реакция в течение одной микросекунды происходит при взрыве термоядерной бомбы. «Токамак» позволяет поддерживать реакцию до 14 секунд. ITER запланирован на поддержку реакции в течение как минимум 400 секунд.
Если реактор ITER будет достроен и будут получены такие результаты, то это будет большое продвижение по пути исследований термоядерной энергии. Но это еще не значит, что использование термоядерной энергии возможно для выработки электроэнергии.
Термоядерная реакция
Самое простое определение, хотя и не совсем точное, термоядерная реакция — это то, что заставляет гореть Солнце. Имеются в виду теоретические модели, которые дают достаточно хорошее объяснение наблюдаемым явлениям.
Термоядерная реакция тоже относится к классу ядерных реакций, но термоядерная реакция — это реакция синтеза, в отличие от реакции распада («обычная» ядерная реакция). Более точно определение — реакции слияния (синтеза) лёгких ядер, протекающие при высоких температурах.
Такие реакции происходят в звездах, в частности, в недрах Солнца. Поскольку плотность недр Солнца в 14 раз превосходит свинец, в реакцию там вступают четыре ядра водорода, превращающиеся в ядро гелия-4. Люди, естественно, не могут обеспечить подобного давления, потому экспериментируют с тяжелыми изотопами водорода — дейтерием и тритием. Они сливаются в ядро гелия с испусканием нейтрона и выделением энергии.
ITER, как предполагается, будет работать на тритии, поскольку именно в тритиевых циклах достигнута наиболее продолжительная протяженность стабильной реакции.
Реакция идет при столь высоких температурах, что используется удержание плазмы мощными магнитными полями, и сама плазма имеет вид тороида, или правильного бублика.
Если говорить образно, строительство термоядерного реактора — это создание искусственного Солнца.
Термоядерная электростанция
Теоретически термоядерная электростанция выглядит просто и изящно. Кольцевая вакууумно-плазменная камера, в которой, скованный сверхсильными магнитными полями, висит плазменный тор, в котором и протекает реакция.
Как часто бывает с простыми и изящными решениями, его практическая реализация оказалась очень тяжела и до сих пор далека от победного конца. Недаром в описании термоядерной электростанции отсутствует описание генератора. Этому есть простое объяснение. Задача увеличения продолжительности термоядерной реакции поглотила все внимание ученых, и о конкретных способах использования термоядерной энергии, а также превращения ее в электроэнергию, просто никто не думал.
Этому есть простое доказательство, изложенное на официальном сайте ITER. Цель проекта — получить и изучить стабильную термоядерную реакцию. Это планируется сделать в 2023-2026 годах. После этого реактор будет заглушен, тритий будет выгружен, будет удалена радиоактивная пыль из вакуумной камеры, а дальше, в течение 2026-2037 годов будет дезактивация, демонтаж оборудования и захоронение радиоактивных отходов и токсических веществ.
ITER — это аналог суперколлайдера, сверхдорогой научный прибор без какого-либо практического применения. Есть мнение, что этот прибор даст быстрые результаты. Но стоит указать, что такие мнения высказываются с 1953 года. Сейчас освоен очередной бюджет, и озвучен очередной извод заверений в том, что термоядерная энергетика вот-вот даст практические результаты.
Оптимистически настроенные ученые полагают, что на завершающих стадиях исследования термоядерной реакции в 2025-2026 годах у них будет возможность поставить эксперименты по получению электроэнергии на термоядерных реакторах. Так ли это будет, или нет, покажет будущее.
Во всяком случае, мощность ITER не очень велика, всего 500 МВт. Это равно мощности тепловой ГРЭС средней руки. Настоящие гиганты тепловой энергетики гораздо мощнее. Березовская ГРЭС-1 имеет мощность в 1500 МВт. Нововоронежская АЭС имеет мощность в 770 МВт.
Иными словами, ITER не представляет собой какого-либо прорыва в энергетических технологиях. Есть станции в 3-4 и более раз мощнее этого реактора. ITER уступает большинству крупных электростанций в России: ГЭС, ГРЭС, АЭС, и теоретически способен производить в год всего 3.7 млрд. кВт/час электроэнергии.
В любом случае, кроме решения серьезной научной проблемы устойчивой термоядерной реакции, есть еще две серьезнейшие проблемы. Во-первых, нужно решить сложную инженерную задачу по конструированию генератора для термоядерного реактора и обеспечения удовлетворительного КПД установки. Во-вторых, нужно решить экономические проблемы расчета мощности станции, использования и цены энергии, так, чтобы проект хотя бы окупился.
Вопрос превращения энергии термоядерной реакции в электроэнергию остается открытым. Ученым вполне по силам создать искусственное Солнце, но вот как они снабдят его генератором, пока неясно.
Дорогая и сложная технология
Несмотря на то, что чудес пока не зафиксировано, предположим, что европейцы уложатся в бюджет, и к 2026 году создадут реактор, в котором проблема стабильной термоядерной реакции будет разрешена. Что же получат европейцы за все свои деньги и усилия?
Как будет выглядеть термоядерный реактор, который будет считаться очень хорошим достижением в этой области? Это будет башня диаметром около 20 метров и высотой около 30 метров. Внутри этого сооружения, в вакуумно-плазменной камере будет находиться плазменный тор, с внешним диаметром 12,4 метра и внутренним диаметром 4 метра. Объем плазмы 837 куб. метров. Это первый элемент станции.
Разумеется, что у более мощных термоядерных реакторов размеры плазменного тора будут намного больше, а сама установка будет уже внушительных размеров.
Второй элемент станции — система генерации сверхсильных электромагнитных полей, основанная на сверхпроводящих электромагнитах. На сегодняшний день только сверхпроводники могут создать магнитное поле требуемой для термоядерной реакции мощности. Системы поддержки термоядерной электростанции и сложны и дороги, и их сложность и стоимость мало зависят от размеров электростанции. Впрочем, если плазменный тор будет большой по размерам, то есть вероятность, что в катушках, генерирующих магнитные поля, получится обойтись дешевыми сверхпроводниковыми материалами.
Тут надо сделать отступление и сказать, что сама по себе установка термоядерного реактора требует больших затрат электроэнергии на генерацию мощных магнитных полей, а также на обслуживание самой станции. Обслуживание станции предполагает поддерживание режима пониженного давления внутри здания и вентиляции, а также разработку системы управления сложным комплексом. ITER будет забирать электроэнергию из энергосистемы Франции. В будущем, если задачи управления термоядерной реакции будут решены, придется, скорее всего, для функционирования термоядерной электростанции строить вспомогательную атомную электростанцию.
Третий элемент станции — это генератор. Пока что это наиболее неясный момент в конструкции термоядерной электростанции. Можно предположить, что будет использована схема реактора на быстрых нейтронах, в котором теплоноситель — жидкий металл, обычно свинец. Но эксперименты с приспособлением к термоядерному реактору генератора начнутся только тогда, когда получится достичь устойчивой реакции. Причем, стоит отметить, далеко не факт, что выйдет в конечном итоге удовлетворительный КПД всей установки в целом. В рамках проекта ITER эти проблемы решать не предполагается, поскольку главная задача проекта — получения стабильной термоядерной реакции в плазменном торе, а вот вопрос утилизации энергии оставлен «на потом», отложен в неопределенное будущее. Если ITER увенчается успехом, и участники проекта соберутся с духом строить второй термоядерный реактор для отработки энергетических технологий, то, видимо, стоит ожидать появления работоспособного энергетического термоядерного реактора не ранее 50-60-х годов XXI века. И это очень оптимистические оценки.
Термоядерную станцию можно сопоставить по стоимости с АЭС с реактором на быстрых нейтронах. Атомная электростанция намного дешевле.
К примеру, ITER обойдется создателям в 24 млн. долларов за 1 МВт мощности, тогда как российский БН-800 (энергоблок Белоярской АЭС) обходится в 4,3 млн. долларов за 1 МВт. При этом реактор на быстрых нейтронах имеет работающий прототип в виде реакторов БН-350 в Казахстане и БН-600 на той же Белоярской АЭС. Достройка этого реактора открывает путь к строительству коммерческих реакторов типа БН-1300, которые сейчас в стадии разработки.
За тот же бюджет, который Россия внесла в проект ITER, можно было бы достроить реактор БН-800. Если говорить о российской энергетике, то это было бы куда более эффективным вложением.
Проблемы использования термоядерного реактора
Если продолжать тему использования термоядерной реакции в энергетике, то нужно отметить несколько моментов.
Начнем с того, что термоядерная электростанция, чтобы она могла окупить расходы на строительство и затраты на работы самой станции, должна быть очень мощной, примерно в 20-30 ГВт, то есть в 10-15 раз мощнее ITER. 20 ГВт — это мощность всех российских АЭС вместе взятых.
Гигантская мощность — это единственное, что может оправдать колоссальные инвестиции в строительство термоядерной электростанции. ITER со своей небольшой мощностью и большой стоимостью совершенно не в состоянии конкурировать ни с тепловыми, ни с атомными электростанциями. Ведущие фирмы, разрабатывающие проекты ГРЭС и АЭС, в состоянии предложить десятки вариантов куда более крупных станций, чем ITER, и несравненно более выгодных для инвестора.
Мы не будем вдаваться в обсуждение размеров термоядерного реактора такой мощности, а также в вопросы снабжения электроэнергией такого монстра от вспомогательной АЭС. Главный вопрос здесь такой: кто будет потреблять такое количество электроэнергии?
Станция мощностью 30 ГВт способна произвести около 225 млрд. кВт/ч. электроэнергии, или 7% от нынешнего мирового производства электроэнергии на АЭС. Такого количества электроэнергии хватает сейчас на десятки крупных городов и производств, и рациональное использование такого количества энергии от электростанции, работающей в базе, представляет собой сложную задачу.
Если не ставятся странные задачи из области терраформирования, вроде подогревания вод северных морей, где тепловая энергия используется напрямую, то термоядерный реактор такой мощности предполагает в качестве разумного использования наличие рядом сверхэнергоемкого производства, которое проглотит эти 30 ГВт мощности. Например, производство в огромных объемах алюминия или титана.
Поскольку для работы гигантского завода потребуется ввозить много сырья, то выбор площадки ограничен транспортной инфраструктурой. Такой комплекс (термоядерный реактор + завод) нужно построить недалеко от крупного порта, вроде Роттердама или Гамбурга, то есть в густонаселенной местности. Думается, что такой проект — лучший способ разозлить радикальных экологов.
Если же просто включить термоядерный реактор в энергосистему, в качестве базовой электростанции, то тут возникает вопрос о стоимости энергии. Стоимость строительства термоядерного реактора намного больше, чем атомного реактора. При этом станция требует большого и сложного комплекса обслуживания, и, скорее всего, вспомогательной электростанции. Поэтому цена киловатт-часа будет в несколько раз больше стоимости энергии с АЭС. Впрочем, в настоящее время все это крайне приблизительные прикидки, которые могут быть скорректированы, если дело и в самом деле дойдет до создания термоядерной электростанции. Можно предполагать, что оценки будут скорректированы в сторону увеличения.
Впрочем, в силу того, что плазменный тор испускает поток быстрых нейтронов, есть возможности использования термоядерного реактора для массового производства редких изотопов, вроде калифорния. Реактор дает возможность осуществлять производство редких изотопов в масштабах тонн. Кроме того, по всей видимости, есть возможность производства в термоядерных реакторах ядерного топлива для АЭС. Производство электроэнергии в сочетании с производством изотопов, может поднять экономическую эффективность подобных установок.
Пока не существует не то чтобы точного ответа на вопрос об использовании термоядерного реактора в энергетике; нет даже и подходов к нему. Но понятно, что в качестве необходимого приложения к термоядерной электростанции нужен план развития потребления энергии, план создания новых энергоемких производств.
Для полного использования потенциала термоядерной реакции, по всей видимости, нужна совершенно другая экономика, которая включает много отраслей, сегодня отсутствующих.
Вопросы безопасности
Любой энергетический объект должен быть относительно безопасным в длительной эксплуатации. В силу того, что внимание ученых нацелено на создание устойчивой термоядерной реакции, о вопросах безопасности термоядерного реактора в эксплуатации никто не думал.
Между тем, у него есть ряд неприятных сторон, которые доставят много сложностей разработчикам энергетического термоядерного реактора.
Во-первых, тор будет испускать высокочастотное рентгеновское излучение. Но этот вид излучения обладает пагубным воздействием на прочность материалов. Это означает, либо плазменный тор придется регулярно гасить для проведения регулярных ремонтов, либо придется разработать схему замены частей реактора при сохранении вакуума в камере и сильном электромагнитном поле и гамма—излучении.
Во-вторых, тор излучает быстрые нейтроны, которые, поглощаясь в конструкционных материалах реактора, создают мощное гамма-излучение. Это приводит к радиоактивности частей реактора. Источников радиоактивного загрязнения в термоядерном реакторе несколько: изотоп водорода — тритий, наведенная радиоактивность в результате облучения нейтронами, радиоактивная пыль от воздействия плазмы на стенки вакуумно-плазменной камеры, радиоактивные продукты коррозии оборудования системы охлаждения.
В-третьих, большую проблему безопасности представляет устойчивость магнитного поля. Если это магнитное поле потеряет стабильность или даже исчезнет в результате отключения электромагнитов, то вероятнее всего, вся энергия, которую содержит тор в момент исчезновения поля, будет передана окружающей среде. Температура тора — 100 миллионов градусов, и любой материал при соприкосновении с ним мгновенно превратится в пар. Со всеми вытекающими последствиями.
Физики, конечно, могут вероятность такого процесса отрицать, ссылаясь на опыт эксплуатации «Токамаков». Но если речь идет о реакторе, в котором термоядерная реакция протекает относительно продолжительное время, эти вопросы должны быть изучены и приняты все возможные меры безопасности.
Подводя итог сказанному, стоит сказать, что споры о том, имеет ли будущее термоядерная энергетика или нет, решит ли она энергетические проблемы человечества, или нет, во многом являются бессодержательными. ITER — это пока что большой эксперимент в самом начале реализации, и какие результаты будут получены на экспериментальном реакторе, сейчас предсказать невозможно. Остается только ждать результатов экспериментов.
Термоядерный реактор, в случае успешного решения проблемы управляемой термоядерной реакции, не станет всеобщей панацеей от энергетических проблем, а станет особо изощренным способом получения энергии из расщепляющихся материалов. Он будет занимать ту же самую нишу, что и атомная энергетика. Термоядерная энергия будет доступна лишь нескольким странам, обладающими ядерными технологиями и средствами для строительства столь дорогого сооружения.
