Термоядерний реактор нагріє плазму до 150 мільйонів градусів і ... змінить майбутнє

Міжнародний експериментальний термоядерний реактор ITER без перебільшення можна назвати самим значним дослідницьким проектом сучасності. За масштабами будівництва він легко заткне за пояс Великий адронний коллайдер, а в разі успіху ознаменує для всього людства набагато більший крок, ніж політ на Місяць. Адже в потенціалі керований термоядерний синтез - це практично невичерпне джерело небувало дешевої і чистої енергії.

вчені джгут

Словосполучення «термоядерний реактор» у багатьох людей викликає настороженість. Асоціативна ланцюжок зрозуміла: термоядерна бомба страшніше просто ядерної, а значить, термоядерний реактор небезпечніші за Чорнобиль. Насправді ядерний синтез, на якому ґрунтується принцип роботи токамака, набагато безпечніше і ефективніше ядерного ділення, що застосовується в сучасних АЕС. Синтез використовується самою природою: Сонце являє собою не що інше, як природний термоядерний реактор. В реакції задіяні ядра дейтерію і тритію - ізотопів водню. Ядро дейтерію складається з протона і нейтрона, а ядро тритію - з протона і двох нейтронів. У звичайних умовах однаково заряджені ядра відштовхуються одна від одної, однак при дуже високих температурах вони можуть стикатися. При зіткненні в гру вступає сильна взаємодія, яке відповідає за об'єднання протонів і нейтронів в ядра. Виникає ядро нового хімічного елемента - гелію. При цьому утворюється один вільний нейтрон і виділяється велика кількість енергії. Енергія сильної взаємодії в ядрі гелію менше, ніж в ядрах вихідних елементів. За рахунок цього результуючий ядро навіть втрачає в масі (відповідно до теорії відносності енергія і маса еквівалентні). Згадавши знамените рівняння E = mc2, де c - це швидкість світла, можна уявити собі, який колосальний енергетичний потенціал таїть в собі ядерний синтез. Щоб подолати силу взаємного відштовхування, вихідні ядра повинні рухатися дуже швидко, тому ключову роль в ядерному синтезі грає температура. У центрі Сонця процес протікає при температурі 15 млн градусів Цельсія, але йому сприяє колосальна щільність речовини, обумовлена дією гравітації. Колосальна маса світила робить його ефективним термоядерним реактором.

Створити таку щільність на Землі не представляється можливим. Нам залишається лише нарощувати температуру. Щоб ізотопи водню віддали землянам енергію своїх ядер, необхідна температура 150 млн градусів, тобто в десять разів вище, ніж на Сонці. Жоден твердий матеріал у Всесвіті не може безпосередньо контактувати з такою температурою. Так що просто побудувати піч для приготування гелію не вийде.

Вирішити проблему допомагає та сама тороїдальна камера з магнітними котушками, або токамак. Ідея створення токамака осінила світлі голови вчених з різних країн на початку 1950-х, при цьому першість однозначно приписується радянському фізику Олегу Лаврентьєву і його іменитим колегам Андрію Сахарову і Ігорю Тамму. Вакуумна камера в формі тора (пустотілого «бублика») оточується сверхпроводящими електромагнітами, які створюють в ній тороїдальне магнітне поле. Саме це поле утримує розпечену до десяти сонць плазму на деякій відстані від стінок камери. Разом з центральним електромагнітом (індуктором) токамак є трансформатор. Змінюючи струм в індукторі, породжують протягом струму в плазмі - рух частинок, необхідне для синтезу. Токамак можна по праву вважати зразком технологічного витонченості. Висока напруга, яка в плазмі, створює полоідальним магнітне поле, що оперізує плазмовий шнур і підтримує його форму. Плазма існує при строго певних умовах, і при їх щонайменшій зміні реакція негайно припиняється. На відміну від реактора АЕС, токамак не може «піти в рознос» і неконтрольовано нарощувати температуру. У малоймовірному випадку руйнування токамака не відбувається радіоактивного зараження. На відміну від АЕС, термоядерний реактор не виробляє радіоактивних відходів, а єдиний продукт реакції синтезу - гелій - не є парниковим газом і корисний в господарстві. Нарешті, токамак дуже дбайливо витрачає паливо: під час синтезу у вакуумній камері знаходиться всього кілька сотень грамів речовини, а розрахунковий річний запас пального для промислової електростанції становить всього 250 кг.

Паливна інфраструктура для термоядерного синтезу - це окрема цікава тема. Дейтерій міститься практично в будь-якій воді, і його запаси можна вважати необмеженими. А ось світові запаси тритію обчислюються від сили десятками кілограмів. 1 кг тритію коштує близько $ 30 млн. Для перших запусків ITER знадобиться 3 кг тритію. Для порівняння, близько 2 кг тритію в рік необхідно для підтримки ядерного потенціалу армії Сполучених Штатів. Однак в перспективі реактор буде сам забезпечувати себе тритієм. У процесі основної реакції синтезу утворюються високоенергетичні нейтрони, які здатні перетворювати ядра літію в тритій. Розробка і випробування першої стінки реактора, що містить літій, - одна з найважливіших цілей ITER. У перших випробуваннях будуть використовуватися берилієвої-мідні обшивки, мета яких зводиться до захисту механізмів реактора від тепла. Згідно з розрахунками, навіть якщо перевести всю енергетику планети на токамаки, світових запасів літію вистачить на тисячу років експлуатації.

З миру по токамака