ITER — синтез в магнитном поле

Во Франции испытывается термоядерный реактор другой конструкции. В Международном термоядерном экспериментальном реакторе (ITER) для удержания горячего водорода используются чрезвычайно мощные магнитные поля. Вместо того чтобы пытаться лазером мгновенно сжать крохотную мишень из богатого водородом вещества, ITER медленно сжимает газообразный водород при помощи магнитного поля. Внешне реактор очень напоминает гигантский пустотелый стальной бублик, дырку которого со всех сторон окружают витки магнитной катушки. Магнитное поле удерживает газообразный водород внутри бубликообразной камеры. Затем газ нагревают, пропуская через него электрический ток. Одновременное пропускание через газ электрического тока и сжатие его при помощи магнитного поля разогревает водород до температуры во много миллионов градусов.

Идея термоядерного синтеза в «магнитной бутылке» не нова, она зародилась еще в 1950-е гг[29]. Но почему реальное применение этой технологии стало возможно только сейчас? Почему до сих пор не создано коммерческих термоядерных реакторов по этому принципу?

Проблема в том, что магнитное поле требует чрезвычайно точной и тонкой настройки, иначе опять-таки не удастся достичь ровного сжатия газа — он вырвется из магнитной ловушки или будет неравномерным по плотности. Представьте, что вы пытаетесь сжать в руках надутый воздушный шарик. Вы увидите, что шарик все время норовит вспучиться у вас между руками и что сжать его равномерно практически невозможно. Основная проблема здесь — нестабильность — относится к области скорее техники, чем физики.

Вообще, проблемы с термоядерным синтезом сперва выглядят странно — ведь звезды легко сжимают водород, об этом ясно свидетельствуют триллионы звезд нашей Вселенной. Кажется, что природа зажигает звезды в небесах без всяких усилий, так почему мы не можем сделать это на Земле? Ответ заключается в простой и понятной, но притом фундаментальной разнице между гравитацией и электромагнетизмом.

Гравитация, как показал Ньютон, только притягивает. Поэтому в звезде водород под действием этой силы равномерно сжимается и принимает форму сферы. (Именно поэтому мы видим вокруг только круглые звезды и планеты, а не кубические и не пирамидальные.) А вот электрический заряд бывает двух типов: положительный и отрицательный. Если собрать в кучку отрицательные заряды, они оттолкнутся друг от друга и разлетятся в разные стороны. Но если свести вместе положительный и отрицательный заряды, получим так называемый «диполь», электрическое поле которого имеет сложную форму, а рисунок силовых линий напоминает паутину. Магнитные поля тоже имеют дипольную структуру; поэтому равномерно сжимать горячий газ — чрезвычайно сложная задача. Строго говоря, только суперкомпьютер способен построить карту магнитного и электрического полей, возникающих вокруг какой-нибудь несложной конфигурации электронов.

Суть вот в чем. Гравитация работает только на притяжение и может сжать газ в сферу очень равномерно. Поэтому звезды возникают сами по себе. Но электромагнетизм может работать как на притяжение, так и на отталкивание, поэтому газы при сжатии выпучиваются и образуют сложные конфигурации, делая управляемый ядерный синтез необычайно сложной задачей. Именно эта фундаментальная проблема полвека сдерживала ученых.

Но теперь ситуация изменилась. Физики утверждают, что в проекте ITER решена проблема стабильности при магнитном удержании плазмы.

ITER — один из крупнейших международных научных проектов в истории человечества. Сердце машины — металлическая камера в форме бублика весом в 23 000 т (т. е. намного тяжелее Эйфелевой башни, которая весит всего 7300 т).

Детали устройства настолько тяжелы, что для их перевозки пришлось специально усиливать некоторые дороги. К месту строительства части реактора, самая тяжелая из которых весит 900 т, а самая высокая достигает высоты четырехэтажного дома, будет доставлять колонна специальных транспортных машин. Девятнадцатиэтажное здание ITER будет стоять на гигантской платформе размером с 60 футбольных полей. Проектная стоимость реактора составляет 10 млрд евро, а финансирование возьмут на себя семь государств-участников (Европейский союз, США, Китай, Индия, Япония, Корея и Россия).

Когда реактор будет наконец запущен, он будет нагревать водородную плазму до температуры в 150 млн градусов, что намного превосходит 15 млн градусов в центре Солнца. Если все пойдет хорошо, он будет вырабатывать 500 МВт, т. е. в 10 раз больше, чем потреблять. (Нынешний рекорд для термоядерной энергии — 16 МВт, которые генерирует европейский реактор Joint European Torus в Калэмском научном центре в графстве Оксфордшир, Великобритания). После некоторых задержек выход ITER «в нуль» по балансу мощности назначен на 2019 г.

ITER, как и остальные действующие и строящиеся термоядерные реакторы, — все еще научный проект. Он не предназначен для выработки электроэнергии. Однако физики уже сегодня готовят базу для следующего шага — коммерческого производства термоядерной энергии. Фаррох Наджмабади, руководитель рабочей группы по анализу различных проектов термоядерных электростанций, предлагает проект ARIES-AT — токамак размером меньше европейского ITER, который, по расчетам, должен производить 1 ГВт по цене около 5 центов за киловатт-час, что сделает его конкурентоспособным по отношению к электростанциям на ископаемом топливе. Но даже Наджмабади, большой оптимист во всем, что связано с термоядерным синтезом, признает, что всерьез выйти на рынок термоядерная энергия сможет не раньше середины века.

Еще один коммерческий проект — термоядерный реактор DEMO. Если ITER, по проекту, должен будет производить 500 МВт в течение не менее 500 с., то DEMO проектируется так, чтобы генерировать энергию непрерывно. Кроме того, в DEMO должен присутствовать один дополнительный элемент, которого нет в ITER. Дело в том, что при слиянии двух ядер водорода возникает лишний нейтрон, который затем быстро вылетает из камеры реактора. Но можно окружить камеру специальным покрытием, известным как бланкет, предназначенным исключительно для того, чтобы поглотить энергию этого нейтрона. Поглощая нейтроны, бланкет нагревается. Вода в трубах, проходящих внутри его, нагревается и закипает. Образовавшийся пар направляют в турбину, которая, в свою очередь, вращает электрогенератор.

Если все пойдет как надо, реактор DEMO будет запущен в 2033 г. Планируется, что по размерам он будет на 15 % крупнее ITER, а энергии будет вырабатывать в 25 раз больше, чем потреблять. По проекту DEMO будет производить 2 ГВт энергии, что сделает его сравнимым с традиционными электростанциями. Если проект DEMO будет реализован успешно, начнется стремительное внедрение отработанной технологии.

Однако пока неясностей хватает. Проблема финансирования строительства ITER уже решена, но DEMO находится еще на стадии планирования, а значит, задержки неизбежны.

Специалисты по термоядерному синтезу уверены, что решающие ступени на пути к управляемому термояду уже пройдены. После десятков лет неоправданного оптимизма и неудач они различают впереди контуры будущих промышленных реакторов. В настоящий момент имеется не одна, а целых две разные конструкции (NIF и ITER), которые могут со временем принести энергию ядерного синтеза в каждый дом. Но пока ни тот ни другой проекты не доведены до уровня экономической целесообразности, остается место для самых разных неожиданностей, таких как холодный синтез или пузырьковый синтез.