Термояд по законам экономики
Денежный вопрос поставил под сомнение будущее реактора ITERМир задыхается от клубов копоти, выбрасываемой автомобилями и ТЭЦ. ГЭС необратимо нарушили экологию многих рек. АЭС критикуют за их радиоактивные отходы. При этом запасы угля, нефти и газа тают с огромной скоростью. Надеждой на спасение человечества от энергетического кризиса стал термоядерный синтез. Однако делу приспособления этой реакции для практического применения может помешать другой кризис - экономический.
Много энергии из ничего
Термоядерным синтезом называется реакция слияния ядер двух легких элементов с образованием ядра более тяжелого. Протекание этой реакции сопровождается выделением колоссального количества энергии. Образование ядра нового, более тяжелого элемента сопровождается перегруппировкой протонов и нейтронов, составляющих ядра легких элементов. При этом рвутся очень прочные связи, удерживающие компоненты ядер вместе. Именно на высвобождающуюся энергию этих связей возлагают надежды сторонники перехода от традиционной энергетики к термоядерной.
Почему человечество до сих пор не отказалось от сжигания угля и строительства плотин? Причина такого консерватизма проста: для того чтобы заставить ядра сблизиться на достаточное для протекание реакции расстояние, необходимо затратить больше энергии, чем выделяется при термоядерном синтезе. Ядра реагирующих элементов заряжены положительно, и как все одноименно заряженные тела, они стремятся оттолкнуться друг от друга. Заветная реакция слияния ядер возможна только после того, как удастся преодолеть силы отталкивания и сблизить ядра совсем "вплотную". Другими словами, необходимо приложить грубую силу - как можно больше сдавить и/или нагреть реагирующие вещества.
Физики подсчитали, что пороговым значением температуры для начала термоядерного синтеза является температура в 100 миллионов градусов Цельсия. Это приблизительно в десять раз больше, чем температура внутри Солнца. В таких условиях вещества переходят в состояние плазмы - полностью или частично ионизованного газа. Плазма является чрезвычайно неустойчивым состоянием. Стоит ей коснуться чего-то холодного (например, стенок сосуда, где она находится), как составляющее ее вещество переходит в "обычное" газообразное состояние.
Чтобы предотвратить контакт плазмы с окружающими ее предметами, ученые разработали несколько способов ее удержания. Наиболее эффективным оказался токамак (тороидальная камера с магнитными катушками). Теоретические основы токамаков были разработаны в 1951 году Игорем Таммом и Андреем Сахаровым. Токамак представляет собой магнитный "бублик" (или тороидальный магнит), внутри которого плазменный "шнур", удерживаемый магнитным полем, левитирует, не касаясь стенок "бублика".
Объем работ
Именно токамак должен стать основой первого в мире экспериментального термоядерного реактора (International Tokamak Experimental Reactor - ITER). Дейтерий-тритиевую плазму в огромном токамаке ITER будут дополнительно нагревать, воздействуя на нее высокочастотным излучением или обстреливая частицами высокой энергии. Все это должно будет "зажечь" плазму, то есть запустить в ней процесс термоядерного синтеза. В идеале энергетический выход реакции должен оказаться больше, чем затраты энергии на ее запуск и поддержание. Изучив происходящие в плазме процессы и поняв, как приспособить термояд для промышленного использования, страны-участницы собирались свернуть проект ITER и перейти к строительству токамаков для массового применения.
17 мая 2009 года в Физическом институте имени Лебедева РАН (ФИАН) состоялась лекция председателя совета ITER, физика Кристофера Ллевеллин-Смита. Лекция была посвящена энергетическим проблемам человечества, перспективам использования термоядерной энергетики и проекту ITER. Текст лекции можно найти здесь.
Идея строительства ITER родилась в 80-е годы прошлого века. На участие в проекте ITER подписались множество стран: Индия, Китай, Корея, Казахстан, США, Канада Япония, страны Евросоюза. Предполагалось, что бюджет проекта не превысит пяти миллиардов долларов США. Однако по мере работы над проектом его стоимость росла. Росло и число требующих решения технических проблем.
Для промышленного использования реакции термоядерного синтеза должны идти непрерывно в течение длительного времени. Чтобы добиться протекания реакции в требуемом масштабе, необходимо поднять давление в плазме. Увеличение давления в плазме, в свою очередь, вызывает в ней процессы, отрицательно сказывающиеся на устойчивости этого состояния вещества.
Еще одной проблемой, мешающей полноценному изучению плазмы, является несовершенство материалов, из которых изготовлен тор ("бублик") токамака. В ходе реакций термоядерного синтеза во внутренние стенки тора постоянно летят высокоэнергетические нейтроны. Большинство веществ не выдерживают такой бомбардировки, а промышленный термоядерный реактор должен работать многие годы. В качестве перспективных материалов для изготовления стен рабочей камеры реактора рассматриваются, например, высокопрочная композитная керамика. Кроме того, совсем недавно физики, работающие над проектом ITER, сообщили о создании стали, которая показывает хорошую устойчивость к воздействию нейтронов.
Однако в настоящий момент все разработки ученых являются слишком сырыми для практического применения. На доводку идей требуются дополнительные средства. К лету 2008 года бюджет проекта вырос на 30 процентов по сравнению с первоначальным. По другим оценкам, стоимость работ по созданию реактора возросла вдвое. Точно оценить, сколько денег необходимо потратить на строительство ITER, не представляется возможным. Каждое из государств, участвующих в проекте, ведет собственную бухгалтерию. По выражению Ника Лопеса Кардозо (Niek Lopes Cardozo), вице-президента европейской организации, курирующей проект ITER, "создание реактора напоминает строительство МКС, с той разницей, что все участвующие в проекте космические агентства также создаются по ходу дела".
Необходимость дополнительных затрат охладила энтузиазм многих участников проекта. Например, США в 2008 году вообще отказались финансировать все дальнейшие разработки, связанные с ITER. Если мировая рецессия усугубится, за Штатами могут последовать и другие страны.
Государства, которые пока остались тверды в своем намерении приручить термоядерную энергию, вынуждены сокращать расходы. В конце мая появилась новость, что участники проекта решили на первом этапе построить упрощенную версию реактора, которая не позволит реализовать все задумки ученых.
Лишний элемент
Для того чтобы опробовать новую, хоть и очень перспективную технологию, необходимо потратить много денег. В современном мире государства выделяют много денег на науку лишь тогда, когда в остальных "насущных" областях жизни все благополучно. Под благополучием подразумевается удовлетворение основных потребностей граждан. Потребности удовлетворяются за счет промышленности. Чтобы промышленное производство обеспечивало высокий уровень жизни, оно должно потреблять много энергии. Таким образом, в обозримом будущем люди вряд ли откажутся от сжигания углеводородов, ГЭС и АЭС. ТЭЦ загрязняют атмосферу, ГЭС разрушают экологию рек, АЭС производят радиоактивные отходы, а запасы угля, нефти и газа тают с удручающей скоростью. Как найти выход из этого замкнутого круга, пока непонятно.
Ирина Якутенко
lenta.ru/articles/2009/05/29/iter/