Ссылки для упрощенного доступа

logo-print

Термоядерная энергетика. Человечеству энергетический голод не грозит


Схема реакции дейтерий-тритий

Схема реакции дейтерий-тритий

Запасы ископаемого топлива рано или поздно исчерпаются. Альтернативные возобновляемые источники энергии вряд ли смогут в полной мере их заменить. Даже запасы урана для атомных станций ограничены. И все же человечеству не грозит энергетический голод. Атомные реакторы нового поколения наряду с электричеством способны нарабатывать ядерное топливо, с избытком восполняя израсходованное. Окончательное же решение энергетической проблемы даст термоядерная энергетика. Но реализация ее станет экономически оправданной, лишь когда нефть подорожает до 500 долларов за баррель, считает директор Института теплофизики экстремальных состояний РАН академик Владимир Фортов.


— Владимир Евгеньевич, вы утверждаете, что перспективы энергетики — это определенно ядерная технология. Почему все-таки не нефть, не газ, не альтернативная энергетика, связанная с ветром, с солнцем?
— Сегодняшняя энергетика на 80% построена на использовании органического топлива — это уголь, газ, нефть, так называемые невозобновляемые источники энергии, они истощаются. Не так быстро, как пишут некоторые аналитики, потому что идет открытие новых месторождений. Но эти месторождения труднее в разработке и, естественно, дороже. Вот мы с вами сейчас беседуем на борту парохода, под нами северный шельф. На этом шельфе расположено газоносное месторождение, третье в мире по объему. На первом месте Саудовская Аравия. Но если вы посмотрите, как добывается газ в Саудовской Аравии и как надо добывать здесь, в Штокмане, то вы, конечно, придете в ужас. Потому что речь идет о глубинах несколько сотен метров и еще вглубь дна приблизительно на километр. Плюс это, конечно, льды и поэтому добыча этих ресурсов будет очень дорогой. И чтобы двигаться дальше, люди идут по двум направлениям. Первое — это создание энергоэффективных технологий, получить как можно больше энергии из одного килограмма органического топлива. И второе — это поиск принципиально новых источников.


— Сейчас очень много говорится про альтернативную энергетику, ветровую, водную, про солнечную энергетику. Может ли она в перспективе потеснить существенным образом ископаемое топливо?
— Скажу вам так, что сегодня на 80% — это тепловая энергетика, когда вы сжигаете уголь, газ или нефть. И тепловая будет еще долго центральной во всем мире, не только у нас, — и это не только наши оценки. Солнечная энергетика очень быстро прогрессирует. Снижается стоимость батарей, возникают новые фотопреобразователи, в частности, на гетероструктурах, которые придумал наш выдающийся нобелевский лауреат Жорес Алферов. Цена этого падает резко. И, по-видимому, где-то через 10-15 лет появятся первые устройства, которые будут конкурировать с тепловой энергетикой в коммерческом смысле. Если говорить об электроэнергии ветра, то есть прогнозы, по которым Германия должна выйти на десятипроцентный уровень. Но здесь есть свои особенности. Ветер не всегда дует, солнце не всегда светит, вы должны эту энергию запасать. Теперь ядерная энергетика. Энергоемкость ядерного топлива в миллион раз выше, чем энергоемкость органического топлива. Это удобно, потому что это позволяет вам избежать транспортных расходов. Но с другой стороны, это вещь потенциально опасная, потому что в случае аварии у вас выделяется большое количество энергии в заданном небольшом объеме. Еще есть радиоактивное заражение. Но тем не менее, доля атомной энергетики в мировом балансе, несмотря на Чернобыль, несмотря на отрицательное отношение к ядерной энергетике во многих странах, составляет где-то 16-18%. И сегодня явно меняется отношение к ядерной энергетике, как к вещи, без которой обойтись в будущем нельзя. Например, Франция около 75% своей энергии вырабатывает на атомных станциях, не было ни одной аварии. Кроме того, они продают атомную энергию в форме электрической странам, которые у себя запретили атомную энергетику, например, Италии. Сейчас в ядерной энергетике происходит поворот. И связан он с тем, что, с одной стороны, люди все-таки видят исчерпаемость других источников, видят экологические последствия их использования, особенно, связанные с угольной энергетикой. Второе то, что атомная энергетика может работать в режиме так называемого бридинга, когда происходит воспроизводство ядерного топлива.


— Мы сжигаем одно топливо…
— И получаем топливо, которое можно сжигать еще и даже этого топлива больше, чем вы сожгли первичного топлива.


— А из чего мы его получаем?
— В нейтронном потоке производим другие делящиеся вещества. И здесь Россия находится на передовых позициях, потому что у нас работают реакторы на быстрых нейтронах, мы одни из первых их построили. Но следующий этап, конечно, это термоядерная энергетика. Должен сказать, что вообще вся энергетика за очень небольшим исключением обязана своим происхождением термояду - ядерным реакциям синтеза двух атомов дейтерия и трития, тяжелых изотопов водорода. В конечном счете, практически вся энергетика — и уголь, и органика, и солнечная энергия, и гидроэнергия — обязана своим происхождением Солнцу. Это большой термоядерный реактор, в котором выполнены условия горения термоядерного топлива. Эти условия очень тяжелые. Нужны очень большие давления, нужны очень большие температуры. Для того чтобы два ядра сблизить, нужно преодолеть потенциальный барьер электрического отталкивания. Для этого существуют разные способы. Способ, который сейчас является фаворитом — это термоядерный синтез. Когда вы разогреваете систему до температуры сто миллионов градусов, при которой частицы двигаются с большой скоростью, они сливаются по этой реакции. Задача получить очень высокую температуру так, чтобы плазма не касалась стенок сосуда, иначе она их прожжет и разорвет всю установку. Поэтому нужно плазму нагреть до высокой температуры. Второе: дать ей подольше пожить в таком состоянии, то есть отжать ее от стенок — для этого используется магнитное поле. И надо зажечь ее. Очень образно проблему термоядерного синтеза можно представить как проблему поджога костра, сделанного из мокрых дров. Вам надо, чтобы пламя занялось, вода бы испарилась, пламя распространилось от одного слоя к другому. Если вы не обеспечите режим горения, вы энергии будете тратить больше, чем выделяется. Это одно направление.


Второе направление — это так называемый термоядерный синтез с инерционным удержанием. Вам тоже нужно получить температуру сто миллионов градусов, но вы говорите: не буду долго держать эту плазму в магнитном поле, а возьму и сделаю это в форме микровзрыва, точно, как в водородной бомбе. Но в водородной бомбе в качестве запала, спичек, которые зажигают этот костер, используют атомную бомбу. Атомная бомба плоха тем, что она имеет критическую массу. Вы не можете сделать ее меньше определенной величины. Поэтому вся система, атомная бомба плюс водородная, имеет минимальный уровень мощности, который находится на уровне килотонн. Так вот, что сейчас делают: берут, маленькую капельку дейтерия-3 замороженного, доли миллиметра. А вместо атомной бомбы, атомного запала эта капелька со всех сторон обжимается лазерным излучением, получается плазма высокой температуры и высокой плотности. Плотность такой частички приблизительно в тысячу раз больше, чем плотностью исходная.


— То есть капля водорода намного плотнее самых тяжелых металлов?
— Да, во много раз. Вы должны капельку сжать и одновременно нагреть до высоких температур. Вот это условие импульсного термояда требует очень мощных и очень хороших лазеров. И американцы пустили NIF (National Ignition Facility) — эта машина имеет 192 лазерных пучка, энергия выделяется в форме взрыва и станция будет работать так, как работает двигатель внутреннего сгорания — взрыв за взрывом.


— А мощности взрывов?
— От 20 до 200 килограмм ТНТ [тринитротолуола — РС], то есть то, что можно сделать в реакторе.


— То есть как взрыв приличной, но обычной бомбы. Есть такие камеры, в которых его можно удержать?
— Приезжайте, я вам покажу, у меня в институте такая камера есть, самая крупная в мире. Кстати, построена в Северодвинске из корпусов подводных лодок. Это никакая не фантастика. Водородная бомба, которая использует принципы, о которых я вам сказал, была сделана, испытана и стоит на вооружении у многих стран, сейчас девять стран мира имеют термоядерное оружие. Поэтому с физической точки зрения здесь все ясно. А с магнитным термоядом ситуация такая: сразу на трех установках в мире энергия, которую вы тратите на разогрев плазмы, равна энергии, которая получается в результате термоядерного горения. То есть, получен замкнутый цикл.


— А эта энергия более-менее стабильно выходит?
— Работает несколько секунд и несколько секунд идет мощность. 25 мегаватт термоядерной энергии получено на этих трех установках. И сейчас делается большой международный проект ITER, он будет приблизительно в десять раз больше выделять энергии, чем тратить. Этот реактор должен заработать лет через 10-15 лет. После него уже пойдет следующий проект реактор DEMO, демонстрационный... Сейчас эти два направления — инерционный и магнитный — конкурируют. Инерционный термояд поддерживается в значительной мере оборонными задачами, потому что вы тут имитируете процессы, которые происходят в водородной бомбе. Когда это все заработает? Этот вопрос задавали на заре развития термояда Арцимовичу, и он сказал так: термоядерная энергетика появится тогда, когда человечество в ней действительно будет нуждаться. Лучше не скажешь. Сегодня есть оценка: когда баррель нефти будет стоить больше 500 долларов, тогда надо будет переходить на термояд. Это дорого, но это говорит нам всем о том, что человечество без энергии не останется никогда.


— То есть она подорожает в несколько раз, но не кончится.
— Энергетика — это базовая отрасль экономики. И вы все отдадите ради того, чтобы у вас в розетке был свет. И вот еще в качестве шутки. Другой выдающийся ученый, Кокрафт, который возглавлял соответствующие исследования в Англии, его спросили: «Когда будет термояд коммерческий?» Он сказал: «Через 20 лет». Прошло 20 лет. Его опять спросили: «Когда?» Он сказал: «Через 20 лет». «Как же так, вы 20 лет назад говорили?..» Он говорит: «Вот видите, я не меняю своих убеждений». Во всяком случае, если говорить об энергетике, то здесь есть перспектива. Хотя в других областях человеческой деятельности, например, в молекулярной биологии мы вполне можем нарваться на какую-то болезнь, которая просто угробит человечество, и мы не сумеем ничего сделать. Поборем мы СПИД или не поборем? Я не знаю. Могут возникнуть в этих сложных биологических системах такие гадости, которые раньше уничтожат человечество, чем люди найдут способ противодействия. А вот здесь, в энергетике, такого не будет. Здесь ясно — это вопрос денег и времени. Вот если вдруг сегодня нефть кончится, то, грубо говоря, завтра заработает термояд. Все навалятся на него и сделают.


XS
SM
MD
LG