Ядерная энергетика - списывать рано!

С. Мучник (Дортмунд)

Стеллалатор против токамака и NIF против всех.

Начинается новый этап исследования термоядерного синтеза. Кто еще помнит знаменитый фильм Ромма «Девять дней одного года» – там до управляемого «термояда» Баталову и Смоктуновскому осталось полшага. Ученые верили, что до «термояда» рукой подать: ведь вслед за атомной бомбой последовала атомная электростанция, но вот за термоядерной бомбой прошло уже более 60 лет безуспешных попыток создать термоядерный реактор. От штурма ученые перешли к планомерной осаде, причем пошли несколькими путями. Основная задача – инициировать самоподдерживающуюся реакцию слияния изотопов водорода, дейтерия и трития, в ходе которой должна выделяться энергия синтеза. Реши ученые эту задачу, и человечеству обеспечено на века вперед энергетическое Эльдорадо, ведь 1 г смеси дейтерия и трития энергетически эквивалентен 8 т нефти, но только пока решить ее не получалось.

Условия в термоядерном реакторе сродни солнечным, никакой сосуд не выдержит давления в 100 миллиардов атмосфер и температуры более 50 миллионов градусов. Поэтому реакцию в состоянии плазмы стремятся провести в подвешенном состоянии с помощью магнитного поля, в реакторе типа токамак плазма имеет вид тороида, а в стеллалаторе магнитное поле наводится внешними индукторами.

И вот в Германии, в городе Greifswald, завершено строительство крупнейшего в мире стеллалатора Wendelstein 7-X (по имени горы в Баварии). Уже в следующем году ученые рассчитывают довести температуру плазмы до 100 миллионов градусов и удерживать ее до 30 минут. Общая стоимость проекта, частично финансируемого ЕС, превысила миллиард долларов. Столько стоят маленькие шаги в ядерной физике.

Тем временем во Франции, недалеко от Марселя, завершается строительство конкурента – термоядерного реактора типа токамак ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), который должен стать прототипом промышленного термоядерного реактора. Этот международный проект должен реализоваться примерно к 2020 году, его стоимость оценивается в более чем 10 миллиардов евро.

А последние новости с фронта термоядерного синтеза пришли из Англии и США. В Англии работает токамак Joint European Torus (JET) – прообраз реактора ITER, который с 1997 года устанавливает рекорды эффективности. Сейчас ученые приблизились к самому желанному для термоядерной техники результату – к точке безубыточности, когда выход энергии превышает ее поступление, хотя лучший результат на сегодня – это 16 мегаватт термоядерной энергии из входной мощности в 24 мегаватт.

А вот в Ливерморской национальной лаборатории в США термоядерная реакция осуществляется принципиально другим способом: обстрелом изотопной смеси лазерными импульсами, это называется инерциальный термоядерный синтез, который вообще не предусматривает магнитного удержания плазмы. На установке NIF (National Ignition Facility) на микрокапсулу с изотопами воздействуют 192 мощных лазера, которые обеспечивают одновременное сжатие и разогрев, в результате чего достигнуто давление в 150 миллиардов атмосфер, а плотность материала топлива в таких условиях превысила в 3 раза плотность материи в ядре Солнца. Несмотря на огромную сложность экспериментов, которые ведутся уже несколько лет с производительностью в один лазерный «обстрел» в несколько месяцев, результаты более чем впечатляют. Впервые достигнута пресловутая точка безубыточности с положительным (около 1%) выходом энергии. То есть, можно сказать, лед тронулся.

Запасов трития и дейтерия на Земле хватит на сотни лет, более того, есть еще один источник термояда – изотоп гелий-3, содержащийся в лунном грунте, реголите. Пока это звучит фантастически, но многие физики всерьез считают, что именно на гелии-3 будет существовать энергетика последующих столетий. Его добыча – дело техники, техники не более сложной, чем создание термоядерного реактора.

Альтернатива (для доверчивых)

Если послушать других альтернативных исследователей, все эти такамаки с плазмой никому не нужны: термоядерный реактор работает при температурах и давлениях обычного химического реактора, радиации не дает и равен по размерам тумбочке письменного стола. Это не розыгрыш, это – направление ядерной физики, подавляющим большинством физиков, правда, относимое к лженауке, однако существующее и до сих пор будоражащее умы. Речь идет о реакторе Росси, о «холодном термояде – cold fusion». Отцом идеи является, однако, не итальянский профессор, а английский, недавно умерший известный электрохимик родом из Чехословакии Мартин Фляйшман (Martin Fleischmann), который в 1989 году совместно со Стенли Понсом объявил об открытии сравнительно простой электрохимической, по сути своей ядерной, реакции превращения никеля в медь с выходом энергии. Тогда это стало мировой сенсацией, во многих лабораториях ученые бросились повторять и проверять сенсационные эксперименты, но... результатов Фляйшмана-Понса не подтвердили. Красивую идею подхватил физик Андреа Росси из Болоньи. Он построил реактор E-Cat мощностью в 1 МВт и предлагает его на продажу.

Более того, существует или существовал, оказывается, еще и реактор химического ядерного синтеза Филимоненко, конечно, строго засекреченный, тоже нечто на тему холодного термояда, но и это пребывает где-то на обочине физической науки, то ли по причине секретности, то ли – научной несостоятельности. Скорее второе, ибо времена простых и дешевых решений давно канули в прошлое, хотя и нынче выплывают всякие «фильтры Петрика».

Последнее анекдотическое сообщение на эту тему выдала официальная правительственная «Российская газета» в репортаже о жителе Чечни, который изобрел вечный двигатель. Вот что сообщила по этому поводу Комиссия РАН по борьбе с лженаукой: «Хорошо известно, что в обществе всегда есть небольшое количество безумных изобретателей, искренне верящих в то, что им удалось обмануть законы природы, а также хитрых манипуляторов, которые сами ни во что не верят, но умеют обвести вокруг пальца других».

Настоящая альтернатива, вариант 1

Она всегда есть, всегда наука и техника ищут лучшие, часто неожиданные решения, это, собственно, и есть прогресс.

Даже в то время, когда отказ от атомной энергетики стал для политиков стандартной мантрой, найдены перспективнейшие энергетические решения, связанные именно с атомной техникой. Оказывается, атомные реакторы, работающие по принципу расщепления изотопов урана, себя еще далеко не исчерпали.

Это, например, реактор на бегущей волне (Traveling wave reactor), работающий на бедном уране-238, который в зоне реакции превращается в плутоний-239. Такие реакторы обещают быть весьма экономичными и при этом безопасными, топлива для них сколько угодно: только в США имеется 700 тысяч метрических тонн обедненного урана, на сегодня – практически отходов процесса обогащения ядерного топлива для существующих реакторов. Фирма TerraPower разрабатывает такие реакторы с загрузкой в них топлива на 60 лет работы, а одним из владельцев этой фирмы является... Билл Гейтс, который, как известно, энтузиаст экологии и «чистой» энергетики.

Особенно привлекательны такие реакторы в мини-исполнении. Выполненные в виде модулей, они должны быть полностью автономны, вмещаться в стандартные контейнеры, практически десятилетиями не требовать никакого обслуживания, их предполагается закапывать в землю и использовать для энергоснабжения в первую очередь отдельных потребителей, не охваченных энергосетями. Особенно необходимы они для осваиваемых областей и для развивающихся стран.

Подобные реакторы предложены также и другими фирмами, например, Gen4 Energy рекламирует компактные АЭС мощностью до 25 МВт, заряжаемые топливом на 10 лет.

Настоящая альтернатива, вариант 2

Но не только уран и плутоний могут служить ядерным топливом, есть еще один перспективный химический элемент – торий. Многие ученые считают, что именно внедрение тория способно вызвать ренессанс атомной энергетики, от которой, особенно после катастрофы в Японии, готовы отказаться многие развитые страны, включая Германию. О тории «забыли», поскольку он не пригоден для выработки оружейного плутония; кроме того, его сложнее добывать, чем уран, в силу большей рассеянности. Но... его в земной коре содержится в 3-4 раза больше, чем урана. Разведанные месторождения тория находятся в Индии, Турции, Норвегии, США, Канаде, Бразилии, Австралии...

Достоинства перспективного ториевого реактора: во-первых, относительно немного радиоактивных отходов с малым периодом полураспада. За несколько сот лет такие отходы сами по себе теряют радиоактивность (период полураспада изотопа тория-232 – примерно 75 лет), в то время как отходы современных урановых реакторов остаются радиоактивными практически вечно! Во-вторых, такие реакторы, исходя из их устройства, будут в принципе безопасными, устойчивыми против возможных аварий. И наконец, отходы ториевых реакторов не годятся для производства ядерных боеприпасов (если бы, скажем, Иран или Северная Корея построили у себя реактор такого типа, никто бы не возражал). Пока что только в Бельгии создан прототип такого реактора, но работы в этом направлении разворачиваются и в других странах, например, в Норвегии и Индии.

Так что ядерную энергетику рано списывать со счетов. Она может быть безопасной и обеспечивать человечество еще сотни лет. В отличие от нефти, газа и угля, которых не так уж и много, да и запасы их, как установлено в новейшей истории, достались отнюдь не благотворителям.