С каждым годом население нашей планеты увеличивается, соответственно энергетических источников, которые обеспечивают человечество, становится все меньше. Энергетическая проблема сегодня актуальна как никогда. Даже самые оптимистичные прогнозы говорят о том, что нефти нам хватит лет на 20. Запасы газа несколько больше, их можно будет использовать около 50 лет. Природные ресурсы обеспечивают 80% выработки электроэнергии. Стоит ли описывать в данном случае все последствия для человечества и планеты, вызванные их исчезновением.
Но как бы страшно не звучала суть проблемы, энергетический кризис в любом случае для нас неизбежен и вопросы, связанные с ним решать надо в срочном порядке. Ученые со всего мира, пытаясь спасти человечество, изобретают различные новые источники и способы получения энергии. Уже известные нам энергия ветра, воды, солнца в определенной степени сглаживают ситуацию, но вряд ли они способны решить проблему полностью. Надежда людей – безопасная и эффективная термоядерная энергетика.
Не так давно использование термоядерной энергии считалось абсолютно невозможным. Конечно, процессы, протекающие в недрах звезд, сопровождаются огромным выбросом почти нескончаемого числа энергии, но чтобы ее пустить в дело, нужна высокая температура, исчисляемая миллионами градусов. Термоядерные реакции, которые образуются внутри Солнца, происходят посредством превращения водорода сначала в тяжелые изотопы дейтерия, а потом – гелия. Источник термоядерной энергии – разница в массе гелия и водорода. Но учеными реакции превращения водорода в дейтерий не применяются, по причине того, что этот процесс происходит миллиарды лет.
В науке используются атомы дейтерия, которые существуют в природе. Данный элемент на нашей планете имеет уже готовый вид. Так, каждый кубический метр воды содержит 110 кг. водорода и 33 гр. дейтерия. На первый взгляд цифра не впечатляющая, но это только для незнающих людей. Такое количества данного элемента может дать энергию, которая вырабатывается при сжигании 200 тонн бензина. Еще один компонент рассматриваемой реакции – тритий. Его на нашей планете нет, но ученые нашли способ добывать тритий из лития, запасов которого предостаточно. Можно сделать вывод, что топливо для термоядерного реактора неисчерпаемо и очень доступно. В создавшейся ситуации кризиса энергетических ресурсов ученые уже приступили к разработке такого реактора. Долгое время человечество, анализируя сферу термоядерной энергетики, ставило вопросы из разряда «а возможно ли вообще?». Сейчас они звучат в несколько иной формулировке: «возможно ли создание конкурентоспособного реактора, который сможет дать энергию по той цене, которую люди способны заплатить?»
В середине 20 века физики начали рассуждать над созданием «солнца в коробке». Так нобелевский лауреат Пьер Жиль де Жен определил главную проблему данной технологии: «Идея отличная, но мы не придумали, как сделать коробку». Для того чтобы решить этот вопрос объединились ученые со всего мира. Уже сегодня во Франции строят международный экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР. Он может дать человечеству шанс в получении безопасного, неисчерпаемого источника энергии, которая заставляет звезды гореть миллиарды лет.
ИТЭР – международный проект строительства экспериментального термоядерного реактора. Он призван показать возможности применения такого реактора в промышленных целях. Проект можно назвать практически самой сложной технологической системой в истории человечества. В качестве научно-технической базы для ИТЭР выступили ведущие мировые термоядерные программы, которые были разработаны в последние десятилетия. А используемый термин ITER изначально образовался из аббревиатуры International Thermonuclear Experimental Reactor. Но на данный момент это название считают производным от английского слова «iter», что значит «путь». Это путь человечества к экологически чистой, доступной и безопасной термоядерной энергетике.
Ученые заявляют, что по сравнению с ядерным реактором, термоядерная установка действительно намного безопаснее в радиационном плане. Даже в аварийных условиях выделиться лишь незначительное количество энергии, не способное разрушить реактор. Катастрофы в виде землетрясений или падений самолета на реактор вовсе не смогут повредить его оболочку. В случае же выделения всего радиоактивного трития окружающая среда останется целой и невредимой, потому что его количество настолько несущественно, что неспособно нанести даже минимальные негативные последствия.
Катастрофы, которые произошли в Чернобыле и Фукусиме при использовании атомной энергии в данном случае просто исключены. Если говорить более детально о преимуществах термоядерной энергетики нужно учитывать и тот факт, что она совершенно не выделяет вредных отходов, которыми в большой степени грешат традиционные способы выработки энергии. Например, при работе обычной угольной электростанции топливо потребляется миллионами тонн, а углекислого газа производится еще больше. В случае с термоядерным синтезом объем энергии эквивалентный тоннам угля можно добыть из ванны воды и количества лития, содержащегося батареей ноутбука. Термоядерный реактор совершенно безо всяких опасений можно размещать в любой из радикально настроенных стран, потому как выработка компонентов, грозящих массовым поражением, в данной ситуации исключена.
Но на современном этапе работы с термоядерной энергией нельзя обойтись без определенных проблем. Дело в том, что для получения термоядерной реакции необходимо постоянное удерживание очень горячего газа, все время пытающегося вырваться наружу. Процесс носит название «нестабильность». Ученым предстоит научиться определять моменты, когда газ приходит в состояние нестабильности. Этот момент чем-то напоминает предсказание землетрясений. Пока достоверность прогнозов составляет 70%, что весьма немного, так как уместна только цифра, приближающаяся к 100%. Потому что всякий раз, когда происходит процесс «нестабильности», газом повреждается реактор.
Прогнозирование поведения газа – это полбеды, нужно еще научиться его контролировать, кроме того – разработать наиболее прочный материал, из которого будет построен реактор. Изучением водородной плазмы занимается огромное количество ученых почти полвека. Для этого создали целый раздел физики – физику плазмы и новое прикладное направление – диагностику плазмы. К изучению были привлечены новые передовые технологии, новые материалы, новые принципы измерений и вычислений. Термоядерный синтез стал настоящим вызовом человечеству. И не без гордости можно сказать, что многие вопросы в данной отрасли уже успешно решаются.
Яркий пример этому – международный проект ИТЭР. В его основе лежит концептуальная идея советской термоядерной установки Токамак. Российским физиком Лаврентьевым в 1950 году была сформулирована идея, по которой возможно использовать термоядерный синтез для получения энергии в промышленных целях. На ее основе за изучение вопроса принялись многие советские ученые, итогом чего стала идея токамак-реактора. Он представлен в виде вакуумной тороидальной камеры, оснащенной магнитными катушками. Камера заполнена тритием и дейтерием. Плазма тут удерживается специально созданным магнитным полем, потому что никакие стенки емкостей не в состоянии справится с сверхвысокими температурами плазмы.
Чтобы разогреть, сжать и удержать равновесие плазмы использовали вихревое электрическое поле. Но Токамак в своем классическом представлении не мог длительное время удерживать плазму. Для решения этого вопроса учеными был разработан целый ряд дополнительных технологий. Итогом работы в 1956 году стала первая в мире экспериментальная установка, а еще через 12 лет температуры плазмы в ней достигли в 10 млн. градусов. Исследование Токамаков стали проводить во всем мире. Установка прошла большое количество стадий по усовершенствованию, и в итоге стала базой в создании ИТЭР. Следует отметить, что результатом большой работы стала возможность разогревать плазму до 100 млн. градусов.
Свою историю ИТЭР начинает в 1985 году. В это время Советским Союзом было внесено предложение о постройке термоядерной установки нового поколения. Идея нашла поддержку у США, Европейского сообщества и Японии, и уже в 1988 году ученые этих стран стали разрабатывать концептуальный проект термоядерного реактора. В 1990 году данный этап работы был завершен, а в 1992 Япония, Россия, США и ЕС заключили четырехстороннее межправительственное соглашение о реализации проекта. Началось техническое проектирование ИТЭР.
Площадка под строительство ИТЭР (Фото © ITER Organization)
На этом этапе планировалась подготовка детального технического проекта и формирование базы данных для строительства. В 1998 году работы были завершены, но строительство оказалось невозможным по причине проблем с финансированием. Поэтому его стоимость снизили вдвое, и в 2001 году разработка успешно завершилась. К проекту присоединились Канада, Китай, Южная Корея и Индия.
Масса вопросов возникла в связи с определением места строительства. Площадки для реализации проекта были предложены Канадой, Японией, Францией и Испанией. В России рассматривалось место под Санкт-Петербургом. Но определенные условия отсеяли большинство претендентов. Причина в том, что государство, на территории которого будет производиться застройка, вынуждено будет оплатить половину стоимости проекта. В итоге претендентов осталось двое – Япония и Франция.
Главным аргументом французской стороны было то, что на предлагаемой ими территории, Кадараше близ Марселя, работает ядерный центр с экспериментальным Токамаком, прототипом ИТЭР. Япония на все аргументы грозила исключить свое участие в проекте. Это противостояние вполне оправдано, потому что страна, обладающая такой установкой, пусть и международной, сможет получить немалые дивиденды в будущем. Споры продолжались несколько лет и приобрели риск угрозы остановки проекта. Но Япония сдалась и уступила Франции право предоставления площадки для строительства. А взамен попросила увеличить свою долю в строительных подрядах и обеспечить более широкое привлечение японских ученых к работе на реакторе.
Строительство первого термоядерного реактора (Фото © AFP 2013)
Итак, строительство началось во Франции. ИТЭР занимает территорию в 180 га., а размеры его самого составляют 40 на 40 метров. Завершить строительство хотят к 2020 году, после чего 7 лет будет осуществляться экспериментальная часть программы. В 2026 планируется проведение первых термоядерных реакций. При условиях успешности этих экспериментов после 2040 года начнется выработка термоядерной энергии. Мощность ИТЭР – 100МВт, на выходе – не более 50 МВт. Все самые важные компоненты реактора изготавливаются из новейшего вида стали, который разработали американские ученые. Эта сталь на 70% прочнее всех известных человечеству. Сверхпрочный металл служит материалом для стенок рабочей камеры, где содержится нагретая плазма.
Что касается стоимости проекта, то изначально она составляла 12 млрд. долларов, но в 2010 году выросла до 15 млрд. евро. На первый взгляд – очень много. Но по сравнению с тем, что годовой оборот электроэнергии на планете насчитывает несколько триллионов долларов, совершенно ничтожно. Каждая страна-участница делает свой материальный вклад в проект: Китай, Япония, Корея, Индия, США и Россия внесут по 10% от общей суммы, на долю ЕС придется почти половина стоимости.
России принадлежит одна из ведущих ролей в этом международном проекте. Все потому, что наша страна обладает колоссальным опытом в сфере исследования термоядерной энергетики, располагает огромным научно-техническим потенциалом, у нас работают лучшие ученые с мировыми именами. Сегодня Россия — основной поставщик высокотехнологичного оборудования, на основе которого будут строиться главные составляющие ИТЭР.
Одно из заседаний Совета ИТЭР (Фото iterrf.ru)
Одна из важнейших систем, предназначенная для диагностики состояния плазмы в реакторе, с 2016 года тоже будет поставляться российской стороной. Также мы изготавливаем гиротроны – устройства, которые нагревают плазму в установке термоядерного синтеза. Россия располагает всем комплексом технической документации проекта. При таком раскладе опыт, полученный нашими специалистами в ходе работы над созданием ИТЭР, неоценим и в будущем может быть реализован на практике при строительстве собственных термоядерных электростанций.
Эксперты сходятся во мнении, что процент успешной реализации проекта ИТЭР очень высок. Уже сегодня ученые думают над разработкой полноценного варианта термоядерной электростанции, что значительно ускорит приближение эры данного вида энергетики, потому как сразу после запуска ИТЭР будет возможен запуск первой коммерческой термоядерной электростанции. Предварительные прогнозы говорят о том, что это станет возможным в 2045 году, а уже в 2050-м термоядерная энергия станет доступна всем людям. Ее стоимость будет гораздо ниже, чем стоимость энергии, получаемой традиционными способами.
Нам только остается надеяться, что все эти прогнозы сбудутся и энергия звезд будет покорена до того момента, когда ситуация с традиционными источниками превратится в критическую.
Метки: водород, гелий, дейтерий, ИТЭР, солнце в коробке, термоядерная энергетика, термоядерная энергия, Токамак, тороидальная камера
