Термояд? поджигай!: энергия
- Механики контролируют камеру с мишенью на установке NIF в Ливерморе. В момент запуска ядерного синтеза лазеры должны нагреть капсулу с горючим размером с фасолину до температуры более 100 млн градусов. В следствии ядра изотопов водорода должны слиться в ядра атомов гелия с энерговыделением.
Третий этаж корпуса NIF (National Ignition Facility, Национальный центр термоядерного синтеза). За широким окном аудитории видны конструкции самой огромной в мире лазерной совокупности, сложное нагромождение переплетенных между собой труб. Последовательность за рядом эти трубы полуметрового диаметра утрамбованы в минимальный количество с такой же аккуратностью, с какой лежат сигареты в пачке, — действительно, эта пачка не меньше, чем три футбольных поля.
Через ее центр проходит пешеходная галерея, увешанная километрами толстенных кабелей. По стенкам вверх и вниз змеятся широкие железные короба. Разобраться во всем этом хозяйстве легко нереально, так что приходится принять на веру, что эти трубы не пропускают через себя ни воду, ни газ, а выстроены чтобы являться каналами для распространения 192 отдельных лазерных пучков.
В то время, когда лазерные лучи вырвутся из этого тесного пространства, то, усилившись более чем в квадрильон раз, они сойдутся на одной-единственной мишени размером с канцелярский ластик. Это будет маленький импульс с немыслимой концентрацией энергии. Сейчас, что протянется не продолжительнее одной двадцатимиллиардной доли секунды, атомы водорода будут сдавлены с таковой силой, что в мишени запустится тот самый процесс, что непрерывно происходит в Солнца.
Звучит все это очень убедительно, но лишь человечество уже целых полвека принимало на веру посулы, которые связаны с термоядерным синтезом. Если бы термояд получил как раз так, как обещают оптимисты, он имел возможность стать источником чистой энергии, которая век за веком снабжала бы все потребности человечества. Но вот вам уже первое препятствие — таковой второстепенный, казалось бы, элемент, как горючее.
тритий и Дейтерий, изотопы водорода, отчаянно сопротивляются любым попыткам их объединить, не обращая внимания на тепловую энергию, финансирование и стальные конструкции.
Прошедшей в осеннюю пору в Калифорнии физики Национальной лаборатории им. Лоуренса в Ливерморе посредством NIF совершили прорыв, применяв всю фантастическую мощь лазеров. Агрегат ценой $3,5 млрд сфокусировал 121 кДж УФ-излучения (6% большой проектной мощности лазеров NIF) в маленьком количестве камеры с мишенью, и в следствии атомы трития и дейтерия слились в атомы гелия, испустив 300 трлн высокоэнергетических нейтронов.
В принципе, ядерный синтез бывал реализован и раньше, но этот опыт приближает ученых еще на один ход к долгожданной победе — реакции управляемого ядерного синтеза, которая имела возможность бы давать больше энергии, чем затрачивается на ее «поджиг».
К победе на данный момент рвутся не только сверхдорогие мегапрограммы типа NIF. Большое количество инновационных стартапов также начали выдавать многообещающие результаты. По окончании многих лет, за каковые ученые практически не смогли продвинуться, на данный момент начинается настоящая гонка к термоядерной энергетике, в которой содной стороны участвует целая масса людей небольших, но изобретательных частных «давидов», а с другой — неповоротливые, но щедро финансируемые страной «голиафы».
Нужно заявить, что по окончании недавней аварии на АЭС в Японии тяжело рассчитывать на публичную помощь в разработке любых форм ядерной энергетики. А ведь уядерного синтеза в плане безопасности имеется явные преимущества перед энергетикой на базе ядерного распада. Продукты распада урана-235 радиоактивны, а вот при синтезе образуются лишь гелий и свободные нейтроны.
Помимо этого, при ядерном синтезе нереально возбуждение неуправляемой реакции, поскольку сам процесс синтеза предполагает постоянный подвод энергии извне. Каждые неполадки на электростанции должны приводить к фактически мгновенному прекращению реакции.
Для выработки электричества, как и на каждый электростанции, тепло, образующееся на протяжении ядерной реакции, возможно перевоплотить в энергию пара, которая начнёт крутить паровую турбину. Отличие лишь в том, что для ядерного синтеза не потребуются эшелоны угля, регулярные поставки урана, буровые установки, скважины, из которых качают газ и нефть, и, наконец, сеть трубопроводов, подводящих горючее к электростанциям. Дейтерий возможно добывать прямо из морской воды. «Вы видите в углу эти две бутыли с водой, — говорит директор NIF Эдуард Мозес, показывая в окно на внутренний дворик. — В них запас энергии, как в целом супертанкере нефти».
А вот и куда более скромная штаб-квартира компании Helion Energy в Редмонде, штат Вашингтон. Это непарадный, скромный аналог большого центра NIF. Компания спряталась в пригородной глуши, ее помещение не больше приемной стоматолога. Стол у входа употребляется в качестве верстака и завален грудами электронных компонентов.
С потолка свисают колтуны из многоцветных проводов, а рабочие станции для удобства поставлены на тумбы из шлакоблоков. Идет разговор о катушке на 10 тесла, над которой тут на данный момент трудятся, дабы расширить магнитное поле в реакторе Helion.
Helion принадлежит к большому числу термоядерных стартапов — таких как Tri Alpha Energy в Футхилл-Ранч, Калифорния, либо General Fusion в Ванкувере, Английская Колумбия. Все они устремлены к той же цели, что и их огромные национальные соперники. Пришло время показать техническую реализуемость управляемого термоядерного синтеза и одним лишь этим фактом поменять всю картину мира в области энергетики.
Кое-какие из предусмотрительных венчурных компаний для успешного старта обеспечили себе приличное стороннее финансирование. Так, например, Tri Alpha получила от нескольких известных компаний (включая Goldman Sachs иVulcan Capital) суммарный кредит в $50 млн.
Техническая база компании Helion опирается на капитал в $5 млн — это средства MSNW, компании, принадлежащей Джону Слоу, доктору наук из Университета штата Вашингтон. Мне давали слово продемонстрировать то, что Слоу назвал «термоядерной машиной», — это один из элементов реактора, выстроенный уже в масштабе один к одному. Проехав пара мин. от штаб-квартиры до промзоны, миновав конференц-зал, мы входим в помещение, загроможденное огромными железными подробностями.
В этого прототипа, составляющего практически 8 м вдлину, должны сойтись два облака плазмы — раскаленного ионизированного газа, содержащего тяжелые изотопы водорода. Встретившись в камере «сгорания», эти облака должны слиться в единый объект. Электромагнитное поле, созданное обмотками около камеры сгорания, будет сжимать плазменное облако, повышая давление и температуру, пока не начнется реакция ядерного синтеза (в первый раз в MSNW это критическое состояние было достигнуто в 2008 году).
Роберт Хирш, старший консультант Management Information Services по энергетике, считает, что стартапы смогут поразить нас собственными достижениями. На них на данный момент очень сильно давят денежные ограничения, так что они просто вынуждены конструировать предельно простые и малогабаритные совокупности, но эти события смогут привести к тому, что малые компании подарят человечеству чистые, простые и недорогие установки, в отличие от сложных и громоздких установок типа NIF, каковые по обстоятельству собственной сложности угрожают множеством разнообразных отказов.
Мне объявляют, что я имела возможность бы прямо тут и по сей день заметить, как выглядит термоядерная реакция в исполнении компании Helion. «Лишь необходимо будет поберечь уши», — говорит Филип Уоллас, глава фирмы, протягивая мне несколько защитных наушников. Его сотрудники подают на установку энергопитание. Начинается обратный отсчет времени, и в то время, когда счет доходит до нуля, раздается звук лопнувшей лампы, мелькает броская розовая вспышка.
С ликующим видом Уоллас оборачивается ко мне: «Вы только что стали свидетелем реакции ядерного синтеза».
В первой половине 50-ых годов двадцатого века Эдуард Теллер создал первую термоядерную бомбу, мощность которой в много раз превосходила возможности простых ядерных бомб. С того времени ученые не отказывались от замыслов применять данный процесс в мирных целях. В первых опытах с горячим синтезом плазма успевала протечь из территории реакции стремительнее, чем это следовало из расчетов, так что облако плазмы разбегалось еще перед тем, как в нем возможно было поджечь реакцию синтеза.
В 1960-х перед идеей термоядерного синтеза открылись новые возможности: в СССР выстроили термоядерный реактор нового типа — токамак. В этом реакторе плазменный «шнур» в виде тора сжимался и удерживался магнитными полями. С того времени фактически все интернациональные исследования термоядерного синтеза шли как раз по этому направлению.
Экспериментальные токамаки действовали в Англии (Joint European Torus — JET) и в Японии (JT-60). На базе взятых экспериментальных данных 34 страны объединились в проекте ITER, планируя к 2019 году выстроить и запустить во Франции самый большой в мире токамак, что имел возможность бы функционировать как демонстрационная энергоустановка.
Исследователи из NIF пошли по другому пути, попытавшись применять для запуска реакции инерционное обжатие при действии лазерного излучения.
Команда Helion сделала ставку на импульсное магнитное поле, они, как им думается, нащупали чуть уловимую точку в мире синтеза, где возможно малыми средствами совершить исторический прорыв. Речь заходит о создании надежного и недорогого реактора, которому не необходимы ни прецизионно настроенные сверхмощные оптические совокупности, ни сложнейшая конфигурация замечательных магнитных полей для удержания плазмы.
В реакторе компании Helion электрические токи, протекающие в плазме, создают обращенное магнитное поле, которое направлено противоположно внешнему. Комбинация этих магнитных полей действенно удерживает и сжимает плазменное облако. «В отличие от токамаков либо NIF, реактор компании Helion получается довольно компактным и недорогим, — говорит Ричард Милрой, физик из Университета штата Вашингтон. — Энергетическим компаниям не нужно будет вкладывать миллиарды в постройку пилотных реакторов, каковые разрешили бы заметить на практике, трудится ли вся совокупность. Помимо этого, — додаёт он, — в данной конструкции территория образования плазмы отделена от камеры синтеза, так что самые дорогие компоненты реактора Helion будут иметь больший ресурс работы».
Новые экспериментальные подходы сулят очень очень многое, но на этих дорогах нас ожидает еще много неприятностей. Реактор компании Helion существенно проще, чем реакторы ITER либо NIF, но он также через чур маломощный, дабы онем возможно было сказать как о потенциальном энергоблоке. Как говорит Слоу, им еще предстоит расширить в реакторе размеры территории удержания магнитным полем и ускорить сближение плазменных туч как минимум в два раза. На эту доводку потребуется еще $15−20 млн, а таких денег у компании Helion до тех пор пока нет.
Но кроме того в случае если покажутся нужные средства, нет никакой гарантии, что при масштабировании данный реактор будет трудиться в соответствии с проектом и выдержит долгий срок эксплуатации.
Рассуждая о принципиальной возможности наладить управляемый термоядерный синтез, мы упускаем из виду более принципиальный вопрос: вероятна ли по большому счету термоядерная энергетика? Специалисты-скептики уверены в том, что ядерный синтез ни при каких обстоятельствах не станет коммерческой действительностью. «Один из недооцененных качеств — это огромные сложности, которые связаны с преобразованием энергии ядерного синтеза в удобную для применения электричество, — говорит Дэйвид Леблан, физик из канадского Университета Карлтона. — Кроме того в случае если мы добьемся устойчивой реакции синтеза, перед нами поднимется вторая задача — благополучно миновать пресловутую точку энергетической рентабельности». До тех пор пока термоядерная реакция не начнет выдавать больше энергии, чем требуется на ее поддержание и запуск, она будет оставаться всего-навсего лабораторным опытом.
Другие исследователи говорят, что больше всего пользы от ядерного синтеза будет, в случае если его применять при утилизации отходов от работы простых АЭС. В Техасском университете, в лаборатории физика Свадеша Махаджана разрабатывается гибридный реактор на базе и синтеза, и распада ядер. В нем нейтроны, появляющиеся в ходе синтеза, поглощаются оболочкой, в которой идет процесс ядерного распада.
Вместо топлива в том месте дожигаются радиоактивные отходы, каковые остаются от работы классических ядерных станций. «Чистая термоядерная энергетика в лучшем случае представляет собой весьма долговременный проект, — говорит Махаджан, — но на данной промежуточной ступени мы имели возможность бы уже на данный момент приносить определенную пользу».
Путь к победе термоядерной энергетики не обещает быть несложным, но приверженцы данной идеи уверены, что он будет пройден до конца. И Мозес, и Уоллас твердо стоят на том, что ядерный синтез — главной компонент чистого будущего. Если они все-таки справятся, солнечная энергия в чистом виде будет создана на Земле.
Надёжное будущее для классической ядерной энергетики
От термоядерной экономики, в случае если ее рождение будет успешным, нас отделяет как минимум два десятилетия. В свете недавней аварии в Японии мир понял потребность в новых разработках, каковые разрешили бы обеспечить настоящую безопасность ядерных энергоустановок. Вот только пара многообещающих идей.
Мини-реакторы
Орегонская компания NuScale Power предлагает 45-мегаваттные модульные мини-реакторы. Это в полной мере независимые реакторы контейнерного типа, каковые комфортно монтировать в различных местах, а возможно и стыковать в единый комплекс. «Вы ставите один модуль, а в то время, когда энергопотребление чуть подрастет, пристыковываете к нему еще один и без того потом», — говорит Хосе Рейес, основной технолог компании. Потому, что любой реакторный комплекс размещается под почвой в собственном цементном бункере, такие мини-реакторы могут быть менее страшными в сейсмоактивных территориях.
Ядерная батарейка
Может ли компактная ядерная установка являться полноценным энергоисточником для отрезанного от электромагистрали жилища либо независимого производства? 25-мегаваттный ядерный силовой агрегат компании Hyperion Power Generation из Санта-Фе, Нью-Мексико, имеет размеры дачной котельной, а установить его возможно где угодно. Заменять горючее в таком блоке потребуется раз в 8−10 лет.
Для охлаждения реактора употребляется не вода, а свинцово-висмутовый сплав, так что в аварийной обстановке радиоактивный пар не вырвется в воздух — радиоактивное горючее к дну реактора и в том месте затвердеет, превратившись в массивное пресс-папье.
Торий
Этого радиоактивного металла в земной коре содержится раза в 3−4 больше, чем урана, а по окончании применения в ядерном реакторе из него нельзя получить вещества, годные для применения в ядерном оружии. Торий возможно растворять в смеси жидких солей и применять для энергопитания ядерных реакторов на солевых расплавах. Такие реакторы, устойчивые к угрозе аварийного расплавления тёплой территории, еще не доведены до отметки массового применения, но в аналогичных установках возможно было бы дожигать ториевые радиоактивные отходы, отличающиеся долгим периодом полураспада.
Простые и недорогие против сложных и дорогих
- Один из основателей компании Helion Energy Джон Слоу в экспериментальных мастерских в Редмонде, штат Вашингтон. Как утверждает Слоу, дешевизна и простота его реактора дает ему громадную фору в гонках к термоядерной энергетике. «Никто же вам не выдаст на опыты 10 либо 20 миллиардов долларов».
Глава фирмы Helion Филип Уоллас объездил США и Европу в отыскивании финансирования следующего этапа программы, но пока не отыскал компаний, готовых вкладываться в проект, что обещает настоящую отдачу лет через двадцать пять. «Никто прямо не говорит о недоверии отечественным расчетам, но и верить нам не торопятся, — говорит он. — Мы, без всякого сомнения, обошли на этом пути всех, но до финишной ленточки нам все равно еще весьма на большом растоянии».
Электростанция LIFE
Проект электростанции LIFE, созданный в стенках NIF, кроме этого предусматривает утилизацию ядерных отходов, да и в компании Helion разглядывают адаптацию собственного реактора под те же цели, планируя поскорее взять прибыль от будущих станций. С технической точки зрения эта задача несравненно несложнее, чем применение термояда чтобы получить электроэнергию, — хотя бы вследствие того что в этом случае по большому счету не нужно достигать «точки энергетической рентабельности» в ходе синтеза.
Помимо этого, данный путь обещает решение главной неприятности всей ядерной энергетики. Основываясь на данных Национальной лаборатории Сандиа, в компании Helion уже подсчитали, что посредством 50 их установок возможно было бы за 20-летний период переработать все американские ядерные отходы.
Мнения
Имеется вывод, что лучше было бы по большому счету отказаться от любых мыслей о термоядерной реакции.
«Это техническое направление представляет собой такую роскошь, которую мы не можем себе позволить, — говорит Томас Кохран, научный сотрудник ядерной программы в американском Совете по охране природных ресурсов. — Тяжело себе представить, как возможно добраться от нынешней обстановки к коммерческому применению данной идеи, да так, дабы данный путь не разорил бы нас дотла».
В это же время уже сейчас имеются источники другой энергии — солнечный свет и ветер, и деньги, положенные в солнечные электростанции и ветряки, сразу же начинают давать отдачу. Но, кроме того твёрдые приверженцы термоядерной энергетики не оспаривают тот факт, что, учитывая технические неприятности и запредельную цена пилотных установок, «мирного термояда» нужно будет ждать много лет.
«Раньше либо позднее, но эта мысль победит, — уверен Стивен Дин, президент некоммерческой исследовательской компании Fusion Power Associates. — Действительно, мы пока не знаем, в то время, когда наступит данный сутки. Если бы кинуть все силы на таковой проект, как это было с ядерной бомбой либо с полетом на Луну, мы бы добрались до финиша лет за 15−20, а на данный момент это всего лишь оптимистические грезы».
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№105, июль 2011).
<
h4>