«Искусственное солнце» способно заменить нефть и газ

Сегодня все чаще можно слышать разговоры про термоядерную энергетику. В нее вкладывают колоссальные средства, над ней работают лучшие ученые, на нее возлагают большие надежды. Специалисты считают, что после завершающего этапа ее разработки энергетика России и мира достигнет пика расцвета.

Запасы ископаемого топлива рано или поздно будут исчерпаны. 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 вырабатывать ядерное топливо, с избытком восполняя израсходованное. Окончательное же решение энергетической проблемы даст термоядерная энергетика. Но реализация ее станет экономически оправданной лишь тогда, когда нефть подорожает до 500 долл. за баррель, считает директор Института теплофизики экстремальных состояний РАН, академик Владимир Фортов.

Что же такое термоядерная энергетика?

Это была великая мечта пятидесятых и шестидесятых — покорить термоядерную энергию, то есть обрести великое энергетическое изобилие на все времена. В самом деле, почему бы и нет? Ядерную бомбу сделали, а после нее появилась ядерная энергетика. Водородную, то есть термоядерную, бомбу тоже сделали — значит, скоро должны появиться термоядерные станции. Однако это «скоро» затянулось.

В самом деле, почему же до сих пор не удалось зажечь маленькое рукотворное солнце в реакторе? Ведь такую идею предложил еще выдающийся отечественный физик И. Е. Тамм еще в 1938 г.! То есть с идеями сложностей не было. Была проблема с физикой — пришлось создавать новую науку — физику плазмы. В 70-е весь мир пошел по пути строительства экспериментальных токомаков — вакуумных камер, в которых создается мощное магнитное поле, удерживающее плазму на весу.

Первый крупный токамак был построен в России. С опозданием на неделю запустили свой токамак и США, вслед за которыми подключились Япония, Европа, Южная Корея, Китай, Индия, Иран. И в 1985 г. один из главных мировых специалистов в области плазмы Евгений Велихов предложил Михаилу Горбачеву обсудить идею международного строительства первой термоядерной станции, пока что опытной. Через год в Женеве было принято решение о совместном проектировании ИТЭР — международного термоядерного экспериментального реактора на территории Франции.

В 1998 г. проект первого в мире термоядерного реактора был готов, но важнейший участник проекта — США — отказались от участия в международных разработках, вызвав финансовые трудности. Работы существенно замедлились.

На передовых позициях

В развитии термоядерной энергетики Россия находится на передовых позициях, потому что у нас работают уникальные реакторы на быстрых нейтронах. Ядерные реакции синтеза двух атомов дейтерия и трития, а тяжелые изотопы водорода лежат в основе практически всех энергетических процессов. Для того чтобы два ядра сблизить, нужно преодолеть потенциальный барьер электрического отталкивания. Чтобы сблизить их, существуют разные способы. Способ, который сейчас является фаворитом,- это термоядерный синтез. Когда разогреется система до температуры сто миллионов градусов, при которой частицы двигаются с большой скоростью, они сольются 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

чего используется магнитное поле, и надо зажечь ее. Очень образно проблему термоядерного синтеза можно представить как проблему поджога костра, сделанного из мокрых дров. Необходимо, чтобы пламя занялось, тогда вода испарится, а пламя распространится от одного слоя к другому. Если не обеспечить режим горения, энергии будет потрачено больше, чем выделяется. Это одно направление.

Второе направление — это так называемый термоядерный синтез в инерционном удержании. Также нужно сделать температуру сто миллионов градусов, но плазму в магнитном поле лучше сделать в форме микровзрыва, точно как это сделано 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 взаимокритическую массу. Невозможно сделать атомную бомбу меньше, чем определенная величина. Поэтому вся система, атомная бомба плюс водородная, имеет минимальный уровень мощности, который находится на уровне килотонны. Так вот, что сейчас делают: сейчас вместо атомной бомбы, атомного запала, берется маленькая капелька дейтерия-3 замороженного, доли миллиметра. Эта капелька со всех сторон обжимается лазерным излучением, получается плазма высокой температуры и высоких плотностей. Плотность такой частички приблизительно в тысячу раз больше, чем плотность исходная. Вот это условие импульсного термояда требует очень мощных и очень хороших лазеров. И американцы пустили NIF — эта машина имеет 192 лазерных пучка, энергия выделяется в форме взрыва, и станция будет работать так, как работает двигатель внутреннего сгорания.

«Термоядерная бомба страшнее атомной. А термоядерная энергетика безопаснее атомной энергетики. Атомная станция теоретически грозит атомным взрывом, если нарушить всю защиту, какая там есть. А термоядерная станция термоядерным взрывом не грозит даже теоретически. Если в обшивке термоядерного реактора образуется малюсенькая трещина и нарушится его герметичность, реакция просто погаснет в течение нескольких миллисекунд. Да и количество реагирующего вещества, разогретого до ста миллионов градусов, в реакторе ничтожно — какие-то миллиграммы. Кроме того, потенциал радиоактивного загрязнения у термоядерного реактора на шесть порядков меньше, чем у атомного. То есть термояд в миллион раз безопаснее экологически, чем атомные станции», — говорит А. Долгов.

России термояд необходим

Пока термоядерные реакторы слишком дороги, чтобы говорить об их запуске в промышленных масштабах, считают эксперты. Но нефть из-за ее высокой цены начнет постепенно вытесняться с рынка синтетическими видами топлива, водородом, спиртом, сделанным из растительного сырья. Для получения водорода необходимы огромные энергетические мощности. Это работа как раз для термоядерной энергетики.

Конечно, сегодня в термояд уже вложены десятки миллиардов. Сколько же будет стоить

1 кВт-ч такой энергии для потребителя? Действительно, сегодня термоядерная электроэнергия была бы неконкурентоспособной из-за огромных капитальных вложений. Но когда-то и атомные станции считались неконкурентоспособными, а сейчас «атомное» электричество — самое выгодное и дешевое и в Америке, и в России. А все потому, что доля топливных затрат в атомной энергетике крайне мала. А в термоядерных станциях доля топлива еще ниже. В термоядерной реакции участвуют миллиграммы вещества, а десятка килограммов трития, соответственно, хватит, чтобы обеспечить энергией всю Россию в течение года.

Овладение энергией термоядерного синтеза — шаг к новой энергетике России. Ведь термоядерная энергия — экологически чистый способ генерации с неограниченными ресурсами. В связи с этим российское правительство приняло в этом году стратегию развития термоядерной энергетики. Она будет реализовываться в три этапа. В 2009–2015 гг. предполагается восстановить и перевооружить технологическую базу, для чего нужно принять федеральную целевую программу «Овладение энергией термоядерного синтеза до 2015 г.».

На втором этапе, до 2030 г., будут выбраны оптимальные материалы для создания станций и завершится создание демонстрационной термоядерной электростанции. На третьем этапе, до 2050 г., завершится сооружение ПТЭ (промышленной термоядерной электростанции). «Россия в энергетическом плане — страна самодостаточная. Для России термоядерные станции важны не как станции. Россия должна присутствовать в транснациональных корпорациях, которые вырастут в этой сфере. Термоядерная энергетика — это одна из форм занятости: новая энергетика потребует нового машиностроения, новых заводов, новых технологий. Так же как мы сейчас бьемся за атомный рынок, мы будем биться и за термоядерный. Иначе все умственные усилия наших ученых пойдут прахом. Как и колоссальные деньги, которые мы затратили за последние 50 лет на изучение физики плазмы, просто пропадут», — говорит Александр Долгов, профессор, доктор технических наук Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета.

Полный объем финансирования до 2050 г. оценивается в 515 млрд руб., из них 462 млрд из федерального бюджета. По оценкам, к 2100 г. объем рынка инновационных источников энергии достигнет 3 трлн долл. «Если в этом году мы начнем строить первый опытный реактор, то через десять лет он будет построен, быстрее не получится: очень сложный проект. Через пять лет его работы будут накоплены необходимые результаты, чтобы начинать проектировать уже первую настоящую станцию, продающую электричество потребителям. Ведь ИТЭР — только экспериментальный термоядерный реактор. На нем будет обкатываться термоядерная технология, технология управления плазмой — это решение инженерных задач для будущих проектантов. Потом, в течение, я думаю, лет пяти, будет проектироваться первая настоящая станция. Еще через пять–семь лет она будет построена. А лет через 30, я думаю, ТЯЭС по всему миру уже будут давать 100‑200 гигаватт энергии. Это примерно столько, сколько сейчас потребляет за год Россия», — оценивает положение Дмитрий Третьяков, генеральный директор Петербургской компании информационного обеспечения для энергетиков.

Время развивать самое перспективное направление энергетики настало. Это залог энергетической безопасности.

Ирина Васильева

Источник Энергетика и промышленность России

Получать все новости по электронной почте