16 февраля 2022

Безопасность термоядерного синтеза

При ядерном делении энергия образуется в результате расщепления атомных ядер, в то время как при термоядерном синтезе происходит их слияние с высвобождением энергии. Хотя обе атомные реакции производят энергию путем изменения атомов, их фундаментальные различия имеют далеко идущие последствия для безопасности.

Условия, необходимые для запуска и поддержания термоядерной реакции, делают невозможными аварии, которые способна вызвать реакция деления, или аварии с расплавлением активной зоны из-за цепной реакции. Для термоядерных электростанций потребуются запредельные условия — температуры свыше 100 миллионов градусов Цельсия, чтобы достичь достаточно высокой плотности частиц для протекания реакции. Поскольку термоядерные реакции могут происходить только в таких экстремальных условиях, неконтролируемая цепная реакция невозможна, объясняет Сеила Гонсалес де Висенте, физик — специалист по термоядерному синтезу в МАГАТЭ.

Для термоядерных реакций требуется постоянное поступление топлива, и они очень чувствительны к любым изменениям в эксплуатационных условиях. Поскольку термоядерная реакция может остановиться за несколько секунд, она по определению безопасна.

«Термоядерный синтез — это самоограничивающийся процесс: если вы не сможете контролировать реакцию, она остановится сама собой», — добавляет Гонсалес де Висенте.

Кроме того, термоядерный синтез не приводит к образованию высокорадиоактивных долгоживущих ядерных отходов.

«В результате термоядерного синтеза производятся только радиоактивные отходы низкой активности, которые не представляют серьезной опасности», — отмечает Гонсалес де Висенте.

Загрязненные предметы, такие как защитная одежда, чистящие средства и даже медицинские пробирки и тампоны, — это короткоживущие низкорадиоактивные отходы, с которыми можно безопасно обращаться, соблюдая базовые меры предосторожности.

В большинстве современных экспериментальных термоядерных устройств в качестве топлива используется смесь дейтерия и трития. Тритий — это радиоактивный изотоп водорода с периодом полураспада 12,3 года.

Гонсалес де Висенте объясняет, что в результате термоядерной реакции высвобождаются нейтроны, которые ударяются о стенки, окружающие активную зону реактора, и поглощаются ими:

«Нейтроны вступают в реакцию с литием, содержащимся в стенке, образуя тритий, который затем может быть вновь введен в установку».

При этом ядерные и термоядерные установки имеют некоторые общие черты, например в плане обращения с радиоактивным материалом и использования систем охлаждения.

«Регулирующие органы имеют огромный опыт в сфере безопасности и физической безопасности при протекании реакции деления. Мы работаем с ними над обеспечением того, чтобы все накопленные знания применялись и в отношении термоядерного синтеза, — отмечает Гонсалес де Висенте — Однако не все может быть скопировано, поэтому следует определять и учитывать характерные для термоядерного синтеза отличия, такие как меньшее количество и разнообразие радиоактивных материалов, невозможность аварий с расплавлением активной зоны и отсутствие долгоживущих отходов. МАГАТЭ оказывает помощь в этих усилиях».

Монтаж одного из секторов вакуумной камеры ИТЭР — устройства массой 440 тонн, которое поможет удерживать плазму

Международное сотрудничество

ИТЭР — крупнейший в мире экспериментальный проект в области термоядерного синтеза — объединяет экспертов из 35 стран, которые работают над тем, чтобы сделать термоядерные источники энергии реальностью, а также по мере развития проекта помогают решать проблемы безопасности и физической безопасности термоядерного синтеза.

Высокий уровень безопасности может быть обеспечен путем применения к термоядерному синтезу тех норм безопасности, которые относятся к ядерному делению, в том числе норм безопасности МАГАТЭ. К примеру, как и в случае с реакторами, работа которых основана на принципе ядерного деления, на проектируемых термоядерных установках должны учитываться регулирующие положения в отношении дозы, и установки следует конструировать таким образом, чтобы минимальная доза находилась на разумно достижимом низком уровне. Однако с учетом фундаментальных различий в риске аварий необходимо применять дифференцированный подход, чтобы избежать чрезмерного регулирования процесса термоядерного синтеза.

«Проблема со всеми существующими нормами безопасности заключается в том, что они ориентированы на ядерное деление, — объясняет Стефан Кальпена, заместитель руководителя Департамента безопасности и качества Организации ИТЭР. — Нам необходимо отбирать нормы, актуальные для термоядерного синтеза, и применять их соразмерно риску, чтобы убедиться, что технология не только реализуема, но и действительно безопасна. Термоядерный синтез — это новый способ создания энергии, и это все еще очень молодая технология».

МАГАТЭ содействует развитию этой технологии, проводя технические совещания для экспертов в целях обмена знаниями, которые могут помочь в преодолении проблем термоядерного синтеза и обеспечении безопасности термоядерных установок. Первое совместное техническое совещание МАГАТЭ и ИТЭР по вопросам безопасности и радиационной защиты термоядерных реакторов, на котором Кальпена председательствовал в ноябре 2020 года, было посвящено разработке методологии определения потенциальных видов и количества радиоактивных или опасных материалов, которые могут быть выброшены термоядерными установками в окружающую среду, а также подготовке применимых к термоядерному синтезу публикаций, аналогичных публикациям Серии норм безопасности МАГАТЭ № SSR-4 и SSG-12. В числе тем, охваченных на этом совещании, были критерии риска для термоядерных установок, а также проектирование и эксплуатация таких установок. На запланированном на октябрь 2021 года семинаре-практикуме по обращению с отходами, образующимися в процессе термоядерного синтеза, будет рассмотрено, как классифицировать и утилизировать радиоактивные отходы, появляющиеся в результате производства термоядерной энергии.