Неисчерпаемый, чистый, безопасный источник дешевой энергии?

Прочитал пост (Китай и его "искусственное солнце" - Science Box ) об очередных успехах китайцев в этом деле, стал было писать комментарий, но потом решил сделать пост, так как сказать нужно многое.

Неисчерпаемый, чистый, безопасный источник дешевой энергии? Наука, Термоядерный синтез, Энергетика (производство энергии), Длиннопост

Когда-то я тоже был большим энтузиастом термоядерной энергетики (желающие разделить мой восторг, смогут это сделать, прочитав вот этот мой старый пост), однако позднее я наткнулся на статью Дэниэла Джессби, человека, 25 лет посвятившего исследованиям в области термоядерного синтеза (ссылка), и это сильно поубавило во мне энтузиазма.


Несколько вводных:

Для обеспечения термоядерного синтеза необходимы температуры порядка нескольких сотен миллионов градусов. Разумеется, никакой материал не сможет выдерживать подобные температуры, поэтому дейтериево-тритиевую плазму, в которой будут проходить реакции синтеза, необходимо удерживать в вакууме, подвешенной в магнитном поле, которая обеспечивается работой очень мощных сверхпроводящих электромагнитов.

Это называется магнитным удержанием, подобный принцип используется в ТОКАМАКах, так же, этот принцип будет использован в строящемся экспериментальном реакторе ITER


Есть и другой принцип получения управляемого синтеза, путём концентрации супермощных лазеров на крохотной мишени (на установке NIF в США, но в среде независимых исследователей постепенно растут сомнения в перспективности данного способа, о чём свидетельствует данная статья в журнале Science )


Реакции синтеза нам известны столько же, сколько и реакции деления, однако, если первая электроэнергия от реакции деления была получена спустя всего 10 лет после открытия, а спустя 12 лет заработала первая атомная электростанция, термоядерная энергия так и остаётся «технологией завтрашнего дня» и по прошествии более 80 лет с той поры.


Обеспечить сам синтез, в принципе, несложно. Вот, например, один американский школьник даже собрал у себя дома термоядерный реактор (см. 13-летний американец собрал дома термоядерный реактор). Проблема состоит в том, чтобы получить от реакции больший выход энергии, чем было на неё затрачено.

Неисчерпаемый, чистый, безопасный источник дешевой энергии? Наука, Термоядерный синтез, Энергетика (производство энергии), Длиннопост

Вот это тоже термоядерный реактор


Прочитайте ещё раз заголовок данного поста. В нём каждое слово не совсем верно (или совсем неверно), но лучше по порядку.


Неисчерпаемый?


Когда люди говорят о «неисчерпаемом топливе» применительно к термоядерному синтезу, обычно подразумевают дейтерий. Его действительно довольно много (156 частей на миллион в воде или порядка 4¹⁶ кг только на Земле). А что насчёт трития? В настоящее время единственной страной, производящей тритий в более-менее значимых объёмах, является Канада. Объём этот… 2,5 — 3,5 кг в год. Для запуска одного ITER потребуется 3 кг — то есть практически весь годовой объём мирового рынка трития. Гипотетический тритиевый реактор потреблял бы 56 кг трития на производство 1 ГВт·года электроэнергии, тогда как всемирные запасы трития на 2006 год составляли всего 21 кг (источник).


Проект DEMO — демонстрационная термоядерная электростанция, которую планируется построить после ITER (который уже официально признан исключительно исследовательской установкой) будет ежедневно потреблять по данным с их же сайта до 300 г трития, чтобы выработать 800 МВт электроэнергии.


Не всё, разумеется, так безрадостно, и установки эти строят далеко не глупые люди. После реакции слияния, большая часть выделенной энергии уносится вместе с нейтроном. Ёмкость, внутри которой происходит реакция, окружена слоем лития, который поглощает этот нейтрон и распадается до трития с выделением альфа-частицы.

Неисчерпаемый, чистый, безопасный источник дешевой энергии? Наука, Термоядерный синтез, Энергетика (производство энергии), Длиннопост

В теории запасы трития могут восполняться за счёт этой реакции, но на практике в реакции синтеза прореагирует менее 10% всего трития, который будет добавлен в плазму. Оставшийся тритий необходимо будет собрать с внутренних поверхностей камеры реактора и повторно внести. И такой цикл необходимо произвести от 10 до 20 раз, чтобы весь тритий поучаствовал в синтезе. И даже потери в 1% будут означать, что восполнить при помощи самого реактора столько же трития, сколько было потрачено, невозможно.

Практически же, например, в опытах, проводимых на установке ДЖЭТ, безвозвратные потери трития составили порядка 10%.


Чистый?


Ядра трития будут попадать как в детали самого реактора, так и в воду, которая будет их охлаждать, а тритий — радиоактивен. Соответственно, здесь уже необходимы меры для предотвращения радиоактивного загрязнения окружающей среды. Вторая (и гораздо большая) проблема — нейтроны, выделением которых сопровождается почти любая реакция синтеза. Быстрые нейтроны с энергией порядка 14 МэВ будут уносить почти всю энергию синтеза, а поскольку они электрически нейтральны, магнитное поле их не задержит.


Постоянная бомбардировка нейтронами конструкций реактора делает их не только радиоактивными (см.  Наведённая радиоактивность), но и вызывает их эрозию, уменьшая их прочность и прочие эксплуатационные характеристики, уменьшает срок их службы, а главное — требует решения вопроса об их дальнейшей утилизации. Тот же ДЖЕТ, произвёл порядка 3 тыс. кубометров радиоактивных отходов. Для ITER количество радиоактивных отходов оценивается в 30 тыс. тонн, при этом даже через 100 лет порядка 6 тыс. тонн из них всё ещё будут представлять опасность. Стоимость их утилизации оценивается в сумму свыше 300 млн. долларов США (источник), что подводит нас к следующему заблуждению…


Безопасный?


Как уже стало понятно, человеку лучше не находиться вблизи работающего термоядерного реактора, все работы по ремонту и обслуживанию должны будут выполняться либо роботами, либо системами с дистанционным управлением, но и это не самое сложное. Основной проблемой являются магниты. Чтобы выдержать ток требуемой силы для формирования магнитного поля, способного удержать разогретую до сотен миллионов градусов плазму, они должны быть сверхпроводящими. Но такой магнит может непредсказуемо потерять состояние сверхпроводимости в процессе, который называется quench (а по-русски: Внезапная потеря сверхпроводимости). В результате резко подскакивает напряжение, магнит сильно нагревается. Такой нагрев может спровоцировать потерю сверхпроводимости и у соседних магнитов. А ведь эти магниты удерживают плазменный шнур, раскалённый до сотен миллионов градусов! Так что всегда будет оставаться риск «катастрофического разрушения конструкции», проще говоря — взрыва, сопровождающегося выбросом радиоактивных материалов.


Зная это, можно не сомневаться, что со стороны регулирующих органов в разных странах будут выдвинуты очень жёсткие требования по обеспечению дополнительных мер безопасности, а это значит — дополнительные затраты, а главное — крушение мифа о том, что термоядерная электростанция не потребует столь жёстких требований по безопасности, которые сейчас предъявляются к атомной энергетике.

Неисчерпаемый, чистый, безопасный источник дешевой энергии? Наука, Термоядерный синтез, Энергетика (производство энергии), Длиннопост

Биологический щит реактора ITER


Дешевый источник энергии?


В случае возникновения ситуации с потерей проводимости магнита, реактор должен быть остановлен, магнит должен быть извлечён, нагрет до комнатной температуры, отремонтирован, затем охлаждён обратно до сверхпроводимого состояния и установлен обратно. Процесс может быть довольно длительным, и всё это время реактор будет простаивать, не производя энергии.

Для удаления продуктов реакции из плазмы (в основном, гелий) используется устройство под названием дивертор. Из-за контакта с гелием, они тоже подвергаются усиленной эрозии, и это ещё одно дорогостоящее устройство, которое будет требовать регулярной замены.

Неисчерпаемый, чистый, безопасный источник дешевой энергии? Наука, Термоядерный синтез, Энергетика (производство энергии), Длиннопост

Дивертор


Давайте пофантазируем и представим, что мы преодолели все трудности. Электромагниты не теряют сверхпроводимости, камера реактора не подвергается эрозии и не становится радиоактивной, мы производим достаточно трития, чтобы восполнить все потери и нашли подходящий материал для изготовления диверторов… Перед нами всё равно встанет проблема энергопотребления.


Криостаты работают на жидком гелии при температуре 4.5 К, внутри камеры реактора необходимо поддерживать жёсткий вакуум, а так же прокачивать большое количество воды для охлаждения. Мы ещё даже не запустили реактор, а уже затратили огромное количество энергии. В случае с ITER на обеспечение вспомогательных систем реактора потребуется по разным оценкам от 75 до 110 МВт электрической энергии (источник). Когда начнётся непосредственно синтез, потребуется ещё больше. Потребуется нагреть плазму и включить магниты для её удержания.


Планируемое энерговыделение для ITER составляет порядка 500 МВт, многих эта цифра вводит в заблуждение, потому что речь здесь идёт не об электрической, а о тепловой энергии, которую ещё потом предстоит преобразовать с неизбежными потерями. Конверсия тепловой энергии в электрическую в лучшем случае удаётся при «всего» 60% потерь, что оставляет нам лишь 200 МВт выработанной электроэнергии, что гораздо ниже мощности, которую реактор будет потреблять (порядка 300 МВт), поэтому ни о каком положительном выходе энергии для ITER речь не идёт, даже в теории.


ITER останется лишь исследовательским реактором. К 2027 году на нём планируется начать первые эксперименты, а дейтериево-тритиевый синтез — к 2035 году.


Первая попытка производства электроэнергии будет предпринята на проекте DEMO  с мощностью порядка 2 ГВт. Реализация проекта ожидается к середине 2040-х годов. Так что, наиболее оптимистичным сроком получения первого коммерческого электричества от термоядерной энергии можно считать 2060-е.


Даже если все технологии были бы доступны нам сегодня, если бы мы уже решили все проблемы, использование термоядерного синтеза для производства электроэнергии всё равно не получит массового распространения из-за крайне высокой стоимости первоначальных инвестиций.


Даже атомную энергетику, сегодня могут позволить себе далеко не все, а термоядерная станция, требующая специальных материалов, суперпроводящих магнитов, криогенных и вакуумных систем, будет стоить на порядок или даже на несколько порядков дороже.


Огромные затраты и сроки окупаемости проектов связанных с термоядерной энергетикой ставят под сомнение сам вопрос о том, будет ли когда-нибудь коммерчески успешно реализован хоть один из них. Одной из главных задач, стоящих перед энергетикой сегодня является сокращение выбросов углекислоты, и с этой задачей термоядерный синтез справился бы неплохо, но уже сейчас всё больше стран внедряют программы перехода на уровень нулевых выбросов и уже к 2040 многие из этих программ будут реализованы (источник). Альтернативные и возобновляемые источники энергии получают всё большее распространение, а стоимость энергии из возобновляемых источников падает год от года гораздо стремительнее, чем можно было ожидать.

Неисчерпаемый, чистый, безопасный источник дешевой энергии? Наука, Термоядерный синтез, Энергетика (производство энергии), Длиннопост

Но даже если возобновляемыми источниками и не удастся перекрыть всё возрастающие потребности человечества, с этим легко должна справиться гораздо более «простая» и «дешевая» ядерная энергетика.


Вполне возможно, что к моменту, когда мы действительно научимся строить термоядерные электростанции, проблема, которую мы пытаемся решить при их помощи, уже исчезнет.

19
Автор поста оценил этот комментарий

Мда, печально ((.

Впрочем, есть несколько замечаний/размышлений по материалу поста.


Низкое производство трития - я, конечно, не в курсе технологии его производства, однеко одной из причин того, то, что его сейчас делают считанными килограммами в год, может быть отсутствие устойчивого спроса. Когда еще не было атомных электростанций и программ по производству ядерного оружия, то добыча урана тоже ограничивалась мизерными количествами (относительно сегодняшнего уровня). Таким образом, как только дело дойдет до строительства промышленных термоядерных энергетических реакторов, - производство трития вполне может подтянуться (если, конечно, это технически возможно).


Радиационная безопасность - конечно, нейтронное излучение - не подарок, однако при работе термоядерного реактора, в отличии от обычного атомного, не накапливаются изотопы тяжелых элементов (типа йода, цезия, стронция и т.д.), поэтому выбросы такого реактора (например, в случае аварии) должны быть намного менее опасными: радиоактивного трития, как Вы сами сказали, внутри реактора одновременно находится немного (считанные граммы), да и он очень легкий, поэтому быстро рассеется в верхних слоях атмосферы. Таким образом, авария термоядерного реактора, конечно, загрязнит площадку электростанции, но еще одного Чернобыля быть не должно.


Вот по соотношению производимой и потребляемой реактором энергии - здесь пока сложно сказать, что с этим делать; надо ждать новых разработок, которые бы решили данную проблему.

раскрыть ветку (1)
7
Автор поста оценил этот комментарий

однако при работе термоядерного реактора, в отличии от обычного атомного, не накапливаются изотопы тяжелых элементов (типа йода, цезия, стронция и т.д.)

Нейтроны - редкостная гадость. Наведённая радиоактивность, это когда стабильный и не радиоактивный материал превращается в какой-нибудь нестабильный изотоп после удара нейтрона. Сейчас стараются подбирать такие материалы, которые не дают при распаде долгоживущих изотопов, однако "фонить" детальки всё же будут. В тексте ссылка на материал, где даётся оценка по отходам с ITER, кстати.

показать ответы
4
Автор поста оценил этот комментарий

разница в том, что у термоядерного реактора никакого тепловыделения после остановки не происходит. а ядерный продолжает греться. поэтому что оплавилось, то оплавилось, а теплоёмкость воды в охулиард раз больше теплоёмкости плазмы. там что ничего там не закипит и не взорвется.

раскрыть ветку (1)
1
Автор поста оценил этот комментарий

Магнит тоже может расплавиться теоретически.

показать ответы
Автор поста оценил этот комментарий

А потом спонтанно планета перестаёт крутиться, течения рассеиваются и средняя полоса превращается в пустыню. Я понимаю, когда геотермалкой пользуется 1.5 викинга, но перевести на неё мировую промышленность? Я б с этим не шутил, ибо любой энергии надо откуда-то браться.

раскрыть ветку (1)
1
Автор поста оценил этот комментарий

Ваш сценарий сбудется только если мы Аида в царстве мёртвых потревожим. За остальное будьте спокойны.

1
Автор поста оценил этот комментарий

а ничего, что у вас Солнце под боком, и рой Дайсона, способный стать распределенной optical phased array сможет не только отправлять лазерные парусники куда угодно, но и поможет омолодить Солнце statlifting'ом так, что оно еще более сотни миллиардов лет протянет (а заодно даст маетриала для роста роя Дайсона больше, чем сейчас есть во внесолнечной массе Солнечной системы?

И да, лайтовая версия такого роя сможео обеспечивать энергией простые как пробка сокростные корабли внутри солнечной системы (PV-панель - приемник лазерного излучения, + ЭРДУ высокой тяги с переменным импульсом, и вот тебе и Марс за месяц безо всякой ядерки), а перелеты полайтовее прекрасно ротоваторами будут обеспечиваться, — это у вопросу о, даже, ЭКОНОМИИ энергии.

раскрыть ветку (1)
Автор поста оценил этот комментарий

Вот чего не слышал от Исаака Артура, так это то, как такой кораблик тормозить по прибытии на место, а потом - как его отправлять в обратный путь "против ветра".

Так что, парусник - дело хорошее, но в одну сторону.

Автор поста оценил этот комментарий
Ты же про Пельтье говорил. РИТЭГ тоже есть
раскрыть ветку (1)
Автор поста оценил этот комментарий

РИТЭГ от безысходности придумали.

показать ответы
Автор поста оценил этот комментарий
Ну, а тогда, тот же чайник получается, что современные атомные реакторы
раскрыть ветку (1)
Автор поста оценил этот комментарий

А ты хочешь, чтобы там эфир пронизывал торсионные поля? :)

Вроде как ничего более путного, чем паровая турбина пока не придумали. Всё тот же кипятильник, только способы нагрева разные.

показать ответы
Автор поста оценил этот комментарий
С другой стороны, если снимать и преобразовывать эту энергию в электрическую сразу стенками...
раскрыть ветку (1)
Автор поста оценил этот комментарий

Ага, облепить сверху элементами Пелтье :)

показать ответы
Автор поста оценил этот комментарий
Так зачем добру пропадать? Хоть на собственные нужды?
раскрыть ветку (1)
Автор поста оценил этот комментарий

Думаю, понатыкают градирен, и пойдёт эта водичка на нагрев окружающей среды.

показать ответы
Автор поста оценил этот комментарий

уже довольно давно очевидно, что термояда не будет никогда - смысла нет. метангидраты и уран - вот наши друзья на ближайшие 10 тысяч лет. соответственно, и космоса тоже не будет, увы.

раскрыть ветку (1)
Автор поста оценил этот комментарий

А космоса-то почему не будет?

показать ответы
2
DELETED
Автор поста оценил этот комментарий

Главная проблема в том, что такие ресурсы как нефть/газ/уран и т.п. рано или поздно закончатся. А мир все больше и больше потребляет энергии. Возобновляемые источники такого количества требуемой энергии не вытянут. Так что те, кому удастся овладеть термоядерной энергетикой, к концу столетия смогут диктовать всему миру свои условия.

раскрыть ветку (1)
Автор поста оценил этот комментарий

Геотермальная энергетика имеет огромный потенциал, этого хватит на тысячи лет.

Да и с ядерной энергетикой ещё очень и очень надолго есть запас.
показать ответы