Енергія зірок: що таке термоядерний реактор і чи створимо ми його

Говорити про перспективи ядерної енергетики зараз і ніяково, і немодно. Ніяково через те, що свіжі в пам’яті Чорнобиль і Фукусіма. Немодно тому, що в тренді поновлювані джерела енергії і боротьба за екологію. Але фанатичні мешканці екопоселень і професійні борці за чистоту природи не враховують (а нерідко замовчують), що енергія потрібна не тільки для кількох лампочок у квартирі та для зарядки планшета. Ніякі вітро – і геліостанції поки не в змозі повністю забезпечити мегаполіси і, найголовніше, “нагодувати” промисловість. В підтвердження цих надій наведемо кілька цифр, які б підтверджували роль атомної енергетики в світі та в Україні.

Частка вироблення електроенергії на АЕС в світі знаходиться на рівні 16%. В Україні ядерні реактори виробляють 43%. На альтернативні джерела фахівці, на відміну від романтиків всіх мастей, особливо не покладаються: країна навіть до нинішніх потрясінь планувала в 2030 році отримувати тільки 10% потрібної для суспільства і промисловості енергії від сонця, вітру і т.д. (ЄС – 20% в 2020-му).

Читайте також: Нові технології термоядерного синтезу

Зворотна сторона ядерної енергетики – її небезпека. Так, конструкція реакторів постійно вдосконалюється, але принцип роботи залишається незмінним. А значить, зберігається ризик дуже небезпечних аварій та проблема шкідливих відходів, про що постійно пам’ятають як вчені, так і ті, кого у свій час ця небезпека торкнулася безпосередньо. Альтернативою традиційній атомній енергетиці бачиться освоєння не розщеплення, а, навпаки, злиття ядер. Ось тільки час, коли АЕС можна буде закривати за непотрібністю і моральним старінням, постійно відкладається.

ТРОХИ ШКІЛЬНОЇ ФІЗИКИ: навіщо потрібна температура в 150 мільйонів градусів

Щоб зрозуміти принцип роботи термоядерного реактора, уявімо ситуацію: якимось чином нам вдалося наблизити впритул один до одного ядра дейтерію і тритію. Не лякайтеся – це різновиди (ізотопи) всім відомого водню. Відрізняються вони тільки кількістю нейтронів в ядрі: у дейтерію – один, у тритію – два. Так от, якщо наблизити ядра впритул (взагалі-то вони категорично заперечують проти такого насильства і відштовхуються), то починають діяти особливі процеси, так звана сильна взаємодія. В результаті злиття утворюється ядро гелію і виділяється величезна кількість енергії – набагато більше, ніж при розщепленні ядер урану.

Залишилася тілки “дурниця” – знайти спосіб подолати взаємне відштовхування. Наука давно дізналася спосіб, як це зробити: ядра треба добре розігнати і зіштовхнути. А коли швидкість атомів більше? Правильно, коли вища температура. Тому термоядерний синтез так і назвали – адже він заснований на нагріванні речовини до неймовірних температур. Зауважимо, що природа створила термоядерні реактори мільярди років тому: мова йде про зірок, включаючи Сонце. В центрі зірки температура сягає 15 млн градусів. Але тут грає роль не тільки температура, але і колосальна щільність зірки, коли в силу вступає гравітація. Не маючи такої гігантської маси (в 333 тисяч раз важче Землі), потрібна б була температура в 10 разів більше. Так що в умовах Землі інженерам довелося знайти спосіб отримувати ці самі 150 млн градусів.

ГОНКА ЗА ЕНЕРГІЄЮ: від “цар-бомби” до ITER

Після війни США та СРСР впритул зайнялися зброєю на основі термоядерного синтезу. Для створення потрібних температур і тиску застосовувався ядерний вибух: він “запалював” термоядерну реакцію в бомбу. Апофеозом гонки стали випробування радянської “цар-бомби” потужністю 58 Мт в 1961 році над безлюдною Новою Землею. Моторошне було дійство (в Хіросімі американці застосували “всього лише” 20 Кт, і загинуло більше 100 тисяч японців). Однак войовничі позиви з боку США з тих пір помітно вщухли.

Читайте також: Як працюватиме двигун на термоядерному синтезі?

Що стосується мирного застосування термоядерного синтезу, то тут все не так однозначно. Виявилося, що створити піч для розігріву ізотопів неможливо: немає у Всесвіті такого матеріалу, який міг би витримати температури в мільйони градусів. Потрібно було щось принципово нове. У 1950-х роках і одна та ж думка відвідала кілька розумних голів, але пальма першості і витонченість рішення належить радянській школі фізики. Більш конкретно – Олегу Лаврентьеву, Андрію Сахарову, Ігорю Тамму. Вони запропонували помістити плазму (розпечений іонізований газ) в вакуум. А щоб вогненний згусток не торкався стінок, утримувати його магнітним полем.

Камера мала форму порожнистого тора (простіше кажучи – бублика), оточеного магнітами. По осі “бублика” висить шнур плазми, “закутий” магнітне поле. Цю конструкція прозвали “токамак” (Тороїдальна КАмера з Магнітними Котушками), і вона є ключовою ланкою і донині.

Зауважимо, що розробляються і інші підходи. У Німеччині побудовано експериментальний реактор Wendelstein 7-X типу ларатор (для неосвіченого погляду відрізняється від токамака тільки формою вакуумної камери у вигляді “зім’ятого бублика”). США реалізують проект NIF, де розпал термоядерної реакції проводиться лазерами. На жаль, на цих напрямках досягнень небагато.

ВСІ РАЗОМ.

За 60 років токамаки створили в багатьох розвинених країнах. Але прориву, про який мріялося в 1960-х, не сталося, хоча вдалося подолати масу приватних труднощів.

Ще в 1980-ті з’явилося усвідомлення того, що розробка промислового реактора не по кишені однієї, навіть найбільш багатої країни. І в 1985 р. на зустрічі Горбачова і Рейгана народився проект ITER – створення пристрою нового покоління. Тільки проектування зайняло 20 років. Сьогодні ITER (ключові учасники – ЄС, Росія, США, Японія, Південна Корея, КНР) втілюється в життя біля м. Кадараш на півдні Франції. Для нього вже завершено будівництво однієї з найбільших платформ, створених людиною (1000×420 м). На неї пішло 15 тис. куб. м бетону, 16 тис. т арматури, 439 колон з особливим гумовим антисейсмічним покриттям. Але і ця циклопічна конструкція – лише основа для токамака вагою 36 тисяч тонн, напханого сучасним обладнанням.

Читайте також: Вперше термоядерний синтез отримав позитивне значення

Шкода, та найважливіший для цивілізації проект постійно гальмується. Він такий масштабний і дорогий, що вкрай чутливий до здатності учасників домовлятися і фінансувати роботи. З 2004 р. вартість ITER зросла з 5 до 16 млрд євро, а запуск перенесено з 2010 до 2020 р. Але прориву, мабуть, знову не буде. За словами гендиректора ITER Осаму Мотоджіма, термоядерний синтез дозволить отримати всього лише 500 МВт до 2027 р. Для порівняння – Запорізька АЕС має потужність 6 тис. МВт.

Гігант. Будівництво платформи для майбутнього реактора біля міста Кадараш на півдні Франції.

Влучний опис ситуації з термоядерними реакторами дав одного разу наш експерт в області ядерної энерегетики, доктор фізико-математичних наук Людвіг Литвинський: “Коли я був 17-річним хлопцем, який поступав в університет, я чув, що ось ще 5-7 років, – і прототип реактора буде реалізований. Коли вступив до аспірантури, то чув, що ще 5-7 років – і прототип  буде побудований. Коли кинув займатися фундаментальною фізикою і перейшов в енергетику, чув те ж саме. На мій погляд, часові терміни для синтезу – це не одне десятиліття. Але в “прекрасному далеко” синтез все одно реалізують”.

Як пояснив експерт, Україна, нехай і скромно, але бере участь у проекті ITER. “По синтезу працюють теоретики. У нас сильна школа в Інституті ядерних досліджень. Навіть якщо технології не будуть реалізовані, така участь сприяє розвитку національного інтелекту, зростанню фахівців”, – вважає Литвинський.

ВИГОДИ СИНТЕЗУ

Найважливіша спокуса, заради якої держави платять за дослідження в галузі термоядерного синтезу, – шанс отримати практично невичерпне джерело енергії. Другий, не менш значимий аргумент, – надія на порятунок від постійно зростаючої гори радіоактивних відходів, які стали величезним головним болем АЕС. Про забруднення місцевості у разі НП після Чорнобиля і Фукусіми і згадувати не хочеться. А от при роботі термоядерного реактора замість непотрібних і страшенно “фонивих” відходів утворюється інертний газ гелій, для якого є безліч застосувань у побуті і народному господарстві.

Читайте також: П’ять цікавих енергетичних проектів, які не будуть реалізовані

Якби аварія, такий реактор не піде в рознос: в силу конструкції всі процеси всередині нього миттєво припиняться. Так, деталі будуть “фонити”, але рівень не йде ні в яке порівняння з випромінюванням на уранових реакторах. Нарешті, нові реактори дають надію на створення нового типу двигунів для космічних кораблів.