Термоядерный синтез: прорыв в энергообеспечении совершен?

Министерство энергетики США во вторник, 13 декабря, объявило о прорыве в развитии технологии термоядерного синтеза, которая может решить проблему производства огромных объемов электроэнергии без выделения парниковых газов.

Ранее, 11 декабря, газета The Financial Times сообщила, что исследователи из калифорнийской лаборатории Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) впервые в истории успешно провели реакцию термоядерного синтеза, в результате которой была выработана энергия, превосходящая по объему затраченную на этот процесс. DW собрала самые важные факты о технологии термоядерного синтеза и перспективах ее применения.

"Будущее энергетики"

Реакция термоядерного синтеза обладает более высоким энергетическим потенциалом, чем все другие известные нам источники энергии. Она позволяет высвободить почти в 4 миллиона раз больше энергии, чем химические реакции, такие как сжигание угля, нефти или газа, и в четыре раза больше энергии, чем реакция деления атомного ядра, используемая сегодня на атомных электростанциях по всему миру. Термоядерный синтез был открыт в начале 20-го века. Сегодня многие политики, особенно в Европе, связывают с ним будущее мировой энергетики.

"Как сжигание дров"

Но действительно ли термоядерный синтез является более благоприятной для окружающей среды технологией, чем те, которые используются для производства электроэнергии сегодня? И как именно в ходе этого процесса вырабатывается энергия? Чтобы разобраться в этом, DW отправилась к Международному термоядерному экспериментальному реактору (ITER) - масштабному совместному проекту специалистов по термоядерному синтезу из 35 стран.

ITER расположен в нескольких часах езды от живописного побережья южной Франции и выделяется там на фоне идиллического пейзажа. По всей территории объекта расположено множество металлических ангаров, мастерских и оборудования. Вокруг - много занятых ученых и техников в касках, резиновых сапогах и неоновых жилетах. По словам генерального директора проекта Пьетро Барабаски, пребывающего в центре этого индустриального пейзажа, у технологии термоядерного синтеза большое будущее.

Выработка энергии с ее помощью - это как сжигание дров, объясняет Барабаски: "Сначала вы разжигаете пламя, нагреваете древесину, и в какой-то момент начинается химическая реакция, а затем этой реакции становится достаточно, чтобы сжечь остальную часть древесины".

Деление атомного ядра и термоядерный синтез

В процессе деления атомного ядра оно расщепляется на два более легких. Эта реакция заложена в основу работы всех АЭС. Так, во Франции, на территории которой расположен ITER, доля атомной энергии в энергобалансе страны составляет около 70%. Однако во многих государствах мира ядерная энгергетика не пользуется популярностью из-за опасений по поводу возможного выброса радиации в случае таких аварий, как на Чернобыльской АЭС, японской АЭС "Фукусима" и АЭС "Три-Майл-Айленд" в США.

В процессе термоядерного синтеза, напротив, два легких атомных ядра соединяются в одно новое - более тяжелое - с высвобождением огромного количества энергии. Эту энергию ученые и хотят преобразовать в электричество. Основное различие между процессами деления атомного ядра и термоядерным синтезом заключается в радиоактивности материалов, которые образуются при обоих методах, говорит сотрудник отдела знаний ITER Акко Мас. Он работает над этим проектом с первых дней его существования.

"При процессе деления атомного ядра и уран, который при этом используется, и образующийся в ходе реакции плутоний являются радиоактивными. Как только вы получаете из них энергию, у вас остается радиоактивный материал", - объясняет ученый. Из двух основных материалов, которые считаются наиболее подходящими для получения энергии путем термоядерного синтеза, дейтерий (тяжелый водород) не радиоактивен вовсе, а тритий (изотоп водорода) - радиоактивен, однако его радиоактивное излучение является сравнительно слабым и продолжаюшимся недолго.

"Если правильно подобрать материалы, то даже в промышленных масштабах можно ограничить радиоактивность при термоядерном синтезе сроком в 100-200 лет, что гораздо более управляемо, чем если говорить о 40 000 лет, которые мы наблюдаем при процессе деления атомного ядра", - указывает Мас.

Преимущества с точки зрения защиты природы

Помимо его высокой эффективности, метод производства энергии путем термоядерного синтеза, по словам сторонников этой технологии, имеет еще одно преимущество. Он может значительно снизить зависимость от ископаемого топлива. Атомная энергия как таковая считается альтернативой ископаемому топливу, поскольку при ее выработке не выделяются парниковые газы. Основным побочным продуктом является гелий - инертный нетоксичный газ.

Дейтерий содержится в морской воде, а тритий ученые могут производить посредством облучения лития нейтронами. Возобновляемые источники энергии, такие как ветер и солнце, сами по себе не могут удовлетворить мировые потребности в энергии. Термоядерный синтез, в случае его успешного освоения, мог бы обеспечить гораздо большие объемы выработки энергии. Между тем, чтобы термоядерный синтез стал реальностью, миру необходим технологический прорыв в физике плазмы.

Когда плазма "отключается"

По словам Барабаски, добиться стабильной реакции термоядерного синтеза технически трудно. Солнечный свет и тепло, которые мы ощущаем на Земле, являются результатом реакции термоядерного синтеза. Этот процесс происходит естественным образом в ядре Солнца при экстремальной температуре и давлении.

Задача ученых состоит в том, чтобы воспроизвести то, что происходит в ядре Солнца, без давления, возникающего из-за силы притяжения Солнца, которое имеет внушительную массу. Чтобы произвести реакцию термоядерного синтеза на Земле, необходимо нагреть газы до чрезвычайно высоких температур - около 150 миллионов градусов Цельсия, что примерно в 10 раз выше температуры солнечного ядра.

В этот момент газы превращаются в плазму, которая почти в миллион раз легче воздуха, которым мы дышим. Все составляющие ее протоны, нейтроны и электроны оказываются при этом разделенными. Исследователи установили, что создание плазмы путем нагрева смеси дейтерия и трития - это самый простой способ создания среды для термоядерного синтеза и выделения энергии. В ITER устройство, которое называют токамак, задействует сильное магнитное поле для удержания плазмы, используемой для экспериментов с процессом термоядерного синтеза.

В этих экстремальных условиях частицы в плазме сталкиваются на большой скорости, в результате чего выделяется тепло. Однако, как ни парадоксально, при дальнейшем повышении температуры скорость, на которой происходят столкновения, а следовательно, и эффект нагрева, снижается. "Как будто плазма на определенном этапе "отключается ", - недоумевает Барабаски. По его словам, если вернуться к аналогии с дровами, это все равно, что не знать, как разжечь огонь, который поддерживал бы "горящую плазму". Это самая серьезная проблема, с которой сталкиваются ученые, экспериментирующие с термоядерным синтезом по всему миру.

"Предохранители" в реакторе для термоядерного синтеза

Между тем этот эффект имеет и преимущества. Так, "отключение" плазмы при неблагоприятных условиях означает, что реакция термоядерного синтеза останавливается, если процесс становится нестабильным. Это делает термоядерный синтез более безопасным, чем деление атомного ядра, считают эксперты. По словам Жиля Перье, руководителя отдела безопасности и качества в ITER, в реакторе термоядерного синтеза вряд ли произойдет авария, подобная той, что случилась на АЭС в Фукусиме.

В реакторе, где происходит деление атомного ядра, имеется радиоактивная зона, которую необходимо будет охладить, если реактор будет остановлен. "При реакции деления атомного ядра риск аварии гораздо выше. В реакторе термоядерного синтеза он очень низкий", - уверен Перрье. Он указывает, что безопасность установки для производства энергии путем термоядерного синтеза обеспечивается тремя факторами: локализацией плазмы, снижением радиационного облучения и предотвращением загрязнения окружающей среды тритием.

При этом плазма заключена в вакуумный сосуд. "Даже при худшем сценарии при утечке плазмы последствия будут ограничены его пределами", - отмечает ученый.

От экспериментов к производству электроэнергии

До сегодняшнего дня масимум электроэнергии, которую ученым удалось получить в результате термоядерного синтеза, составлял 59 мегаджоулей за пять секунд. Этого достаточно для работы небольшой лампочки в течение двух месяцев. Проблема, которую пытаются решить исследователи: как добиться производства энергии в более крупных масштабах?

По выражению Барабаски, перейти от термоядерного эксперимента к реактору, вырабатывающему электроэнергию, все равно что перейти от сжигания древесины к угольной электростанции. Хотя это и сложная задача, ученый настроен оптимистично и полагает, что экспериментальный реактор в ITER заработает к концу десятилетия, а демонстрационная электростанция, работающая на основе термоядерного синтеза, будет создана в течение ближайших 30 лет.

Таким образом, инвестиции в развитие этой технологии не помогут решить существующую сегодня проблему нехватки энергоресурсов, однако принесут свои плоды во второй половине XXI века, резюмирует Пьетро Барабаски.

Смотрите также: