Эксперты полагают, что мы должны отказаться от энергетики на ископаемом топливе, потому что продукты его сгорания вредны для здоровья и экологии. Но что у нас есть взамен?
Большую часть электроэнергии в мире мы производим на установках, где сжигаем газ, нефтепродукты или уголь. Почти весь транспорт работает на углеводородном топливе. Жители многих стран используют газовые плиты дома. Вещества, которые образуются от сжигания нефти и газа, а это главным образом диоксид углерода, поступают в атмосферу, а оттуда — в наши легкие, вызывая заболевания, отравления, аллергии. Продукты сгорания способствуют потеплению атмосферы и изменению климата. Их так и называют — парниковыми газами. С конца XIX века среднегодовая температура на планете повысилась на 0,6 градуса, а в Арктическом регионе — на 1 градус. Это привело к значительному таянию морского льда, деградации вечной мерзлоты, и как следствие, проблемам с дорогами, постройками за Полярным кругом. Сибирская язва, о которой на Ямале не слышали 75 лет кряду, дала о себе знать эти летом: оттаяли старые скотомогильники. А поскольку споры этого смертельного заболевания живут столетиями, то заражение оленей, а от них и людей было неизбежно. Ученые предупреждают, что в концу XXI века температура на Земле повысится более, чем на один градус, а скорее всего, на три. От прогрева атмосферы ученые не ждут ничего хорошего и, моделируя угрозы, призывают мировое сообщество сократить или совсем отказаться от энергетики на ископаемом топливе.
Атом исчерпаем
Прежде чем сокращать потребление ископаемого топлива, нужно найти источник энергии, который был бы так же доступен, дешев и сравнительно безопасен. Солнечная, ветровая и гидротермальная энергетика заменой нефти и газу служить не сможет. Хотя эти виды энергетики хорошо развиваются, и благодаря новым материалам и технологиям, значительно подешевели, польза от них локальная. Ветряки хорошо ставить рядом с морским берегом, гидротермальные станции — в зоне вулканической активности, а солнечные панели хороши на юге, где много солнца. Гидроэлектростанции тоже не спасут положение, ведь крупные реки есть далеко не по всему миру. Так что основные надежды связаны с атомными электростанциями — АЭС. Но у них есть ряд серьезных, не разрешимых пока проблем.
Во-первых, АЭС не безопасны. В 1986 году СССР стала первой страной, где взорвался ядерный реактор. И хотя спустя 30 лет после Чернобыля ученые не видят тех ужасных последствий радиоактивного излучения, которых опасались, но экономический и моральный вред населению и регионам, затронутым аварией, был нанесен колоссальный.
Второй страной, пострадавшей от аварии ядерного реактора, стала Япония. В марте 2011 года там на АЭС «Фукусима» сгорел ядерный реактор. Последствия этой аварии будут ликвидировать не одно десятилетие.
Человечество получило серьезные уроки от ядерной энергии и сделало выводы. В мире работает много реакторов «чернобыльского» типа, на которых предприняты все возможные меры безопасности. Их постепенно выводят из работы, заменяя на новые, более безопасные реакторы. Однако у них та же родовая травма, что и у старых — утилизация радиоактивных отходов. Реактор нужно загружать новым топливом каждые три года, а старое топливо выгружать и где-то хранить. Подсчитано, что за 60 лет работы реактора накопится 1600 тонн отработанного ядерного топлива — ОЯТ, которое очень опасно. Использовать его негде, переработать все без остатка стоит дороже, чем произведенная электроэнергия, хранить опасно. ОЯТ складируют на территории АЭС в контейнерах, либо опускают в бассейны с водой, как на «Фукусиме», либо остекловывают и отвозят в горные хранилища. От захоронения ОЯТ под землей и в океане решили отказаться из-за опасности заразить окружающую среду. Подсчитано, что обращение с ОЯТ выходит дороже, чем сжигание нефти и газа. К тому же, как и углеводородное топливо, запасы урана в мире не бесконечны. Они могут закончиться уже лет через 40. А вопрос об АЭС, как возможных мишенях для террористов, даже не будем трогать. Меньше знаешь — лучше спишь.
В общем, теперь вы поняли, почему доля ядерной энергетики составляет 5% от всей энергетики в мире. И это несмотря на более полувековой период развития.
Загадочный термояд
В прошлом веке большие надежды возлагали на термоядерную энергетику, которая представляет собой аналог ядерной — только без радиоактивного топлива. Идея термояда восходит к легендарным советским физикам Андрею Сахарову и Игорю Тамму. Она заключается в том, чтобы получить плазму, которая служила бы источником быстрых нейтронов. Нейтроны будут отдавать свою энергию теплоносителю, например, нагревать воду, и далее, тепловую энергию воды легко преобразовать в электрическую. По этой схеме работают АЭС и ТЭС.
Чтобы получить плазму, физики придумали реактор особой формы — в виде тора. Это буквально металлическая катушка, намотанная на камеру с плазмой. Тор-реактор назвали токамаком, что означает тороидальная камера с магнитными катушками. Первый токамак в СССР построили в 1954 году.
Несмотря на то, что термояд изучали лучшие умы в нескольких странах мира, он так и не стал источником энергии. Освоить этот вид энергетики оказалось сложнее, чем рассчитывали. До сих пор не удалось построить такой реактор, который бы вырабатывал энергии больше, чем потребил. Это мог бы сделать токамак EAST в Китае, но только в теории. Все же физики не оставляют надежд приручить термояд, поэтому в 2008 году несколько стран решили построить самый большой термоядерный реактор в мире — ITER на юге Франции, в провинции Кадараш. Сейчас это — один из самых сложных и дорогих научных проектов в мире, пусть и с не очень ясными перспективами. Из-за разных технических и экономических причин строительство ITER постоянно затягивают. Бюджет составляет около 20 млрд долларов, а первую плазму планируют получить только в 2025 году.
ITER — это большая установка высотой с девятиэтажный дом. Внутри у нее находится токамак, куда в вакууме будут закачивать дейтерий — изотоп водорода. Сначала через дейтерий пустят газовый разряд, чтобы отодрать от изотопов электроны. Газообразный дейтерий ионизируется и превратится в плазму. Плазму нагреют до 150 млн градусов Цельсия (на порядок выше, чем в центре Солнца), чтобы запустить термоядерную реакцию. Удерживать раскаленную плазму в камере будут с помощью сильных магнитных полей, создаваемых сверхпроводящими магнитами. В принципе, ITER можно сравнить с Солнцем. Там идут похожие реакции. Только Солнце горит непрерывно, а поддерживать термоядерную реакцию в токамаке хотя бы несколько часов подряд еще не удавалось никому. Вот это и намерены сделать на ITER.
Неистовая плазма
Ахиллесова пята токамака — это его плазменное топливо. Оно так и норовит остыть, а тогда затухает и термоядерная реакция. Внезапное охлаждение плазмы называют срывом. Во время срыва в плазме само по себе возникает вихревое электрическое поле, которое разгоняет электроны до околосветовых скоростей. Их называют убегающими электронами. Поток убегающих электронов может выплеснуться на стенку реактора и прожечь ее. Тогда реактор встанет на несколько месяцев, а ремонт обойдется в круглую сумму. Пока есть только идеи, как обезопасить реактор от убегающих электронов, ни одна из которых до конца не проверена.
Охладить плазму могут и частицы, вылетающие из стенок и элементов камеры. Например, частицы вольфрама, из которого сделаны диверторы — уловители примесей. Вольфрам — самый тугоплавкий материал, способный выдерживать чудовищные температуры. Но и ему есть предел. Из-за контакта с раскаленной плазмой вольфрамовая поверхность трескается и разрушается.
В идеале в плазму не должны попадать никакие примеси, иначе она остынет. Для улавливания примесей как раз и нужны диверторы. Кроме частиц, в диверторы будет поступать гелий, который образуется при сгорании смешанного дейтериево-тритиевого топлива. Такое топливо будут использовать на ITER на заключительном этапе, при стабильной работе. Термоядерная реакция дейтерия и трития более эффективна, она дает больше быстрых нейтронов для нагрева воды, но вызывает и больше проблем. Пока даже неясно, как лучше вырабатывать и хранить тритий. Из-за малого периода полураспада тритий сам по себе быстро улетучивается.
Впрочем, тритий понадобится еще не скоро. На первых порах ITER будет работать на водороде, потом в него загрузят дейтерий, и когда все наладится, настанет очередь дейтериево-тритиевого топлива. Реактор будет работать в режиме чайника — его будут включать на 300 секунд, чтобы нагреть воду в специальных элементах — бланкетах. Из бланкетов вода будет поступать в бассейны на улице и там остывать. В сеть энергия от ITER не пойдет. Его цель — показать, что он может вырабатывать больше энергии, чем потреблять. Разработчики надеются получить 500 мегаватт энергии. Это в пять раз больше того, что будет затрачено на поддержание работы установки.
Множество проблем, которые предстоит решить в процессе строительства и работы ITER, не смущает ученых. Как не смущает и дороговизна проекта. Они уже задумали следующий проект — токамак DEMO, который станет первым в мире коммерческим термоядерным реактором, дающим энергию в сеть. Его реализация запланирована на 2040-й год.
Конкурент ITER
Допустим, ITER покажет себя. Решит ли это проблемы мировой энергетики? Эксперты полагают, что нет. Потому что с экономической точки термоядерная энергия будет очень дорогая. Поэтому появились идеи, как увеличить эффективность термояда, чтобы он стал выгоден. Согласно одной из идей, в модули бланкетов можно добавить уран-238 или торий-232. Под действием быстрых нейтронов, летящих из плазмы, уран будет распадаться, и еще сильнее нагревать теплоноситель. Так можно получить в семь раз больше энергии, чем в обычном токамаке. Эту технологию гибридного термояда планируют применить в токамаке «Игнитор», изобретенном в Италии. А построить его собираются в подмосковном Троицке в ТРИНИТИ. Но из-за большого бюджета проект пока находится в подвешенном состоянии. Зато почти модернизирован гибридный токамак Т-15 в Курчатовском институте в Москве.
Термояд в открытой ловушке
Российские ученые принимают активное участие в создании ITER. Большую роль в том, чтобы проект состоялся, сыграли руководитель советской программы управляемых термоядерных реакторов академик Евгений Велихов и специалисты Курчатовского института. Сейчас ученые оттуда настраивают для ITER программу, которая моделирует поведение плазмы в реакторе.
Заметный вклад вносят и ученые из Института ядерной физики в Новосибирске — ИЯФ, где установки для исследования термояда построили в начале 1970-х годов. Теперь новосибирцы проводят для ITER материаловедческие исследования и делают несколько диагностических модулей. В ИЯФ находится единственная в мире стендовая установка для испытания вольфрама в условиях термоядерного синтеза.
В Новосибирске есть и собственные наработки. Недавно там придумали, как улучшить термоядерный реактор. Ученые ИЯФ предложили разогревать плазму в цилиндре обычной формы, так называемой открытой ловушке, с помощью микроволнового пучка. Это позволит сделать компактную и недорогую установку для выработки энергии. Открытые ловушки — это не новое изобретение, с них начались эксперименты по термояду. Но из-за больших потерь энергии плазмы, от идеи отказались. Теперь же на новом витке прогресса термояд в открытой ловушке вполне реально запустить. По крайней мере, так считают авторы идеи. Теоретически они даже рассчитывают получать энергию, минуя тепловой цикл, то есть напрямую из плазмы — вставив туда электроды.