Энергия управляемого термоядерного синтеза: голубая мечта, претворенная в жизнь?

Вот уже несколько десятилетий ученые разных стран мира предсказывают, что те процессы, благодаря которым солнце греет, обеспечат нас безграничным запасом дешевой и экологически чистой энергии. Неужели они действительно правы?

Звезда родилась. И вдруг – менее чем через секунду – она погибает. На территории научного центра «Кулхэм» (графство Оксфордшир, Великобритания) группа ученых-физиков с мировым именем внимательно глядят на монитор, изучая видеозапись создания волшебного, но такого недолговечного творения.

«Неплохо. Довольно чистая работа», – отмечает главный «творец» звезд, профессор Стив Коули. Лишь в нескольких метрах от его аппаратной, внутри 70-тонной стальной камеры, при температуре около 23 миллионов градусов Цельсия только что сгорела «звезда» размером с семейный легковой автомобиль.

Коули делает глоток кофе и комментирует: «Отлично, когда сможем попробовать еще раз?»

Год назад, когда мы спросили профессора Стивена Хокинга и профессора Брайана Кокса, какая самая главная научная задача стоит сегодня перед человечеством, они в один голос ответили: производство электроэнергии путем управляемого термоядерного синтеза (УТС). Награда просто неоценима: практически неиссякаемый источник недорогой, экологически чистой энергии, которая обеспечит устойчивое развитие человечества на многие столетия вперед. Профессор Кокс так рьяно поддерживает идею получения энергии с помощью УТС, что, по его мнению, в скором времени будут преклоняться именно перед такими учеными, как Коули, а не футболистами или поп-звездами, ведь именно физики «действительно спасают мир». «Широкое и оперативное внедрение этой технологии в промышленность – наш моральный долг, – заявляет Кокс. – Без нее человеческий род окажется в большой беде уже к концу XXIвека».   

Если бы все было так просто. Управляемый термоядерный синтез – по сути, воссоздание и использование процессов, питающих энергией солнце, – мечта физиков всего мира вот уже добрых полвека. И все же, УТС по-прежнему считается технологией, полное овладение которой возможно лишь «через 30 лет». Неважно, как много исследований проводится и как много денег вкладывается в ее освоение, мы всегда опаздываем как минимум на одно поколение.

Коули приходится выслушивать такие жалобы каждый день. Будучи директором Научного центра «Кулхэм» при Управлении по атомной энергии Великобритании, он провел большую часть своей трудовой жизни в попытках преодолеть этот досадный разрыв. Управляемый термоядерный синтез уже сейчас вызывает самые горячие споры, а недавние события лишь добавили остроты этому конфликту. Международные переговоры по вопросам климатических изменений зашли в тупик. Желание стимулировать разработку возобновляемых источников энергии кажется неосуществимым. Трагические события на атомной электростанции «Фукусима-1» бросили такую огромную тень на «сестру» энергии термоядерного взрыва – энергию деления ядер – что Франция и Италия объявили о решении отказаться от атомной энергетики, обеспечивающей энергетическую безопасность этих стран с 1950-х годов.

Однако сегодня Коули настроен оптимистично. После восемнадцатимесячного перерыва на реконструкцию внутренней части двух крупнейших в центре токамаков – круглых, напоминающих бублик, камер-ловушек, в которых протекает реакция, – профессор с воодушевлением рассказывает об успехах тысячи ученых и инженеров, работающих в «Кулхэме»:

 «К 2014-2015 году мы установим новые рекорды. Через пять лет мы планируем достигнуть точки самоокупаемости. Этобудетнастоящийпереворотвсознаниилюдей».

Под «точкой самоокупаемости» Коули подразумевает момент, когда объемы энергии, производимой токамаком, будут эквивалентны количеству энергии, затрачиваемой на их обслуживание. Пока самая удачная попытка состоялась в 1997 году, когда токамак «JointEuropeanTorus» (JET) Научного центра «Кулхэм» на две секунды достиг мощности 16 МВт при вложенных 25 МВт. Однако чтобы быть коммерчески жизнеспособным, токамак должен постоянно производить почти в 10 раз больше электроэнергии.

Итак, какие же факторы препятствуют этому скачку вперед?

 «Мы могли бы производить электроэнергию с помощью УТС уже сейчас, – говорит Коули. – Но затраты на ее получение были бы просто огромными. Главная проблема – найти вещество, которое выдерживало бы нейтронную бомбардировку внутри токамака. Мы могли бы пренебречь высокой стоимостью производства, чтобы продемонстрировать это. Но мы не хотим хвастаться чем-либо, что не приносит прибыли. Это бессмысленно».

Термоядерный синтез происходит, когда, в условиях экстремально высокой температуры и давления, атомы водорода соединяются и образуют более плотную молекулу гелия, высвобождая при этом гигантские объемы энергии. Однако на Земле ученым приходится имитировать сильное гравитационное давление звезды с помощью искусственно созданного магнитного поля. Его создание требует такого огромного количества электроэнергии, что государственная электроэнергетическая компания специально устанавливает ученым «Кулхэма» сроки для проведения экспериментов (например, не во время трансляции телесериала «Улица Коронации» или крупного футбольного матча).

Реакция ядерного синтеза происходит, когда два вида (изотопа) водорода – дейтерий и тритий – соединяются и образуют супергорячую плазму, которая, кроме гелия, производит нейтроны, обладающие огромным количеством кинетической энергии. Цель физиков Научного центра «Кулхэм» – аккумулировать высвобождаемую энергию и использовать ее для приведения в движение обычных турбин, производящих электричество. Токамак JETнаходился на реконструкции в течение 18 месяцев, пока четыре с половиной тысячи углеродных плиток на его внутренней стороне заменяли на бериллиевые и вольфрамовые. Ученые надеются, что новое покрытие будет «более устойчивым к нейтронам» и позволит тем самым увеличить продолжительность экспериментов при более высоких температурах.

За обедом в служебной столовой Франческо Романелли, директор европейской организации «EuropeanFusionDevelopmentAgreement», объясняет, почему новая облицовка так важна: «Сейчас мы понимаем, как работает плазма. С помощью токамака JETмы продемонстрировали, что можем сдерживать реагенты; мы достигаем температур в 20 раз выше, чем температура солнечного ядра и создаем сильное магнитное поле, в 1000 раз превышающее нормальное магнитное поле Земли. Но основная проблема, с которой мы столкнулись, – это турбулентность плазмы. Чтобы компенсировать эту потерю, нам приходиться увеличивать температуру и использовать больше энергии. Поэтому мы постоянно ищем вещества, которые бы выдерживали воздействие экстраординарных условий, созданных внутри токамака».

В прошлом году началась расчистка территории на юге Франции, в 60 километрах к юго-востоку от Марселя. Планируется, что в 2019 году здесь будет введен в эксплуатацию самый большой и самый современный экспериментальный токамак. Небывалое по масштабам строительство 15-миллиардного Международного термоядерного экспериментального реактора (МТЭР) спонсируется коалицией, в состав которой входит Евросоюз, США, Китай, Индия, Южная Корея и Россия. Данные, накопленные в «Кулхэме», будут использованы для усовершенствования конструкции и производительности нового токамака, который, как надеются ученые, станет коммерчески жизнеспособным, производя до 500 МВт за одну, длящуюся около часа, сессию.

Однако затраты на строительство МТЭР уже превышают его проектную стоимость, в связи с чем европейские политики выражают беспокойство и требуют, чтобы был установлен верхний предел бюджета. Энергия управляемого термоядерного синтеза вызывает нарекания и со стороны защитников окружающей среды. Когда в 2005 году было объявлено о запуске проекта МТЭР, представители «Гринпис» осудили его, аргументируя это тем, что деньги, вложенные в создание нового токамака, могли быть использованы гораздо рациональнее – например, для строительства прибрежных ветряных электростанций. «Сторонники исследований в данной сфере предсказывают, что использовать в коммерческих целях энергию управляемого термоядерного взрыва можно будет лет через 50-80, – отмечает Ян Ванде Путте, эксперт по радиационной безопасности из международной общественной организации «Гринпис». – Но, скорее всего, это ни к чему не приведет, потому что преграды технического характера могут быть просто непреодолимы». Некоторые физики также подвергают проект серьезной критике, поскольку, по их мнению, конструкция МТЭР несовершенна, и реакторы другой конфигурации могут принести гораздо большую прибыль при меньших затратах.

Франческо Романелли в корне не согласен с такой позицией. «Мы просто обязаны сделать первый взнос, – утверждает он. – Перспективы слишком заманчивы, чтобы их игнорировать. Энергия УТС не производит парниковых газов, она безопасна и не возлагает тяжелого бремени на будущие поколения. В процессе первичной реакции не образуется радиоактивное вещество – лишь гелий. Существуют небольшие сложности при синтезе нейтронов, но при этом лишь камера реактора становится радиоактивной. В течение 100 лет камеру можно переработать, поэтому необходимость в длительном захоронении (как в случае с энергией деления ядра) отпадает. При этом запасы топлива практически неисчерпаемы. Все, что нужно, – это литий и водород. Простая морская вода может удовлетворить потребность человечества в топливе на ближайшие 30 миллионов лет».

Еще одно бесспорное преимущество энергии УТС, по мнению Романелли, заключается в том, что термоядерные реакторы будут настолько безопасны, что их можно будет размещать в городской зоне – то есть там, где энергия необходима больше всего. «Повреждения, вызванные цунами, землетрясением или бомбой, будут лишь структурного характера. При чрезвычайной ситуации на атомной электростанции необходимо высвободить энергию, в то время как термоядерный реактор отключается мгновенно».

Если энергия УТС сулит такие выгоды, возникает закономерный вопрос. Принимая во внимание всеобщую озабоченность вопросами климатических изменений и мировой политической нестабильности, связанных с гонкой за нефть, почему мировое сообщество не прилагает больше усилий, чтобы освоить новую технологию как можно быстрее? Действительно, 15 миллиардов долларов – баснословная сумма для строительства МТЭР. Но для сравнения: стоимость мировой индустрии косметики и парфюмерии оценивается в 170 миллиардов долларов в год. А в 2010 году бюджет оборонной промышленности США составил 663 миллиарда долларов. При желании человечество могло бы найти средства на 10 разных проектов, чтобы ускорить процесс поиска самой оптимальной конструкции токамака. Так почему же мы не наблюдаем такого же рвения, как во времена Манхэттенского проекта, когда союзные силы США, Великобритании и Канады считали своим долгом опередить нацистов в создании первой ядерной бомбы?

«Люди – особенно политики – до сих пор помнят о нереализованных обещаниях, что атомная энергетика обеспечит всех дешевой электроэнергией, – поясняет Коули. – Для большинства управляемый термоядерный синтез – это нечто из области фантастики, поэтому очень тяжело убедить их в том, что развитие данного направления должно стать первоочередной задачей. Мы, ученые, тоже должны быть откровенны: мы думали, что будет легко овладеть технологией термоядерного синтеза. Но нам просто не с чем сравнивать – не существует универсального «рецепта» производства энергии с помощью УТС. Когда инженеры разрабатывали первые летательные аппараты, они обратились к природе за решением и создали их по образу и подобию птиц. Здесь же мы же не найдем ответа в природе. Солнце – не самая подходящая модель для имитации на Земле. Намприходитсяначинатьснуля».

По мнению Коули, «Манхэттенский проект» по продвижению технологии УТС мог бы существенно ускорить ее внедрение. «Строительство Международного термоядерного экспериментального реактора стоит около 15 миллиардов, но это не так уж дорого, если принимать во внимание потенциальные выгоды. В данный момент мы надеемся, что если цены на нефть в 2015 году останутся высокими и нам удастся достичь точки самоокупаемости, это привлечет к нам внимание мировой общественности и, соответственно, приток инвестиций. Намнадоторопиться. Строительство токамака JETначалось в 1970-х, то есть во время нефтяного кризиса. И это не совпадение: существует прямая зависимость между инвестированием в технологию термоядерного синтеза и уровнем цен на нефть. Тем не менее, любопытно, что Китай уже сейчас вкладывает значительные финансовые ресурсы в развитие УТС».

Тогда возникает еще один вопрос: кто будет извлекать финансовую выгоду из промышленного внедрения токамаков? «Мировой рынок энергоносителей оценивается в 5-6 триллионов в год: кто-то наживет целое состояние на УТС, – отмечает Коули и предсказывает, что, как только термоядерный реактор МТЭР докажет свою эффективность, все страны, участвующие в проекте, будут стремиться построить его аналоги на своей территории. – Мы не воспользовались преимуществом ядерной энергетики раньше. Мы не хотим повторить ту же ошибку сейчас». Тем не менее, одно конкурентное преимущество у Великобритании уже есть – производство особой стали, необходимой для производства токамаков следующего поколения.

Трудно осознавать весь потенциал энергии УТС и не закричать при этом: «Нам нужно это прямо сейчас!». Однако Коули говорит, что пройдет еще 30 лет, прежде чем наступит тот волшебный день, когда мы щелкнем тумблером – и в розетках появится электричество, производимое путем управляемого термоядерного синтеза. «После МТЭР нам нужно будет построить опытный завод. Мы надеемся, это случится хотя бы к 2040 году. Поэтомук2050 годуобъемыядернойэнергиидолжныувеличитьсявдесятеро. Мы все еще нуждаемся в атомной энергетике, потому что она является тем мостиком, который прокладывает путь к повсеместному внедрению технологии УТС. К 2100 году доля термоядерной энергии может составить 20-25% от общего объема потребляемой энергии». (По мнению Романелли, перспективы гораздо более радужные: он считает, что к 2100 году объемы термоядерной энергии составят 50%).

Коули не отрицает, что пока исследования по управляемому термоядерному синтезу не получают достаточного финансирования (это не озвучивалось, но подразумевалось), ученые никогда не смогут защитить человечество от климатических изменений, нефтяных войн, бедности и экономической отсталости, вызванных постоянным ростом цен на энергоресурсы. В качестве примера Коули приводит случай, когда он был вынужден покупать запчасти для небольшого, принадлежащего Научному центру, токамака на Интернет-аукционе eBay.

Однако, по словам Коули, такие вещи не помешают ему продолжить исследования. Он посвятил свою жизнь изучению физики плазмы.

«Спасение планеты – очень благородное занятие, – шутит Коули. – Сделать что-то, чего до тебя никто не делал, тоже очень заманчиво. В конечном счете, это просто удивительно. Я работаю в лучшей лаборатории по термоядерной физике, в которой мы ежедневно проводим эксперименты, требующие невероятных интеллектуальных усилий. Каждый вечер, возвращаясь домой на поезде, я предпочитаю заниматься подсчетами, а не решением судоку. Например, я пытаюсь понять, как ведет себя плазма в магнитном поле при температуре более 200 миллионов градусов Цельсия. Такие вопросы жизненно важны для будущего нашего мира, но искать ответы на них еще и чертовски весело».

Leo Hickman, theGuardian, перевод с английского – Наталья Коношенко

http://www.guardian.co.uk/environment/2011/aug/23/fusion-power-is-it-getting-closer