Термоядерный синтез: чудо, которое случается
Несмотря на то, что проблеме термоядерного синтеза более полувека, человек только приближается к ее решению. Почему так случилось и успеем ли мы подобрать ключ к этой реакции до полного истощения ископаемых топлив?
Оптимизм — штука хорошая, но несамодостаточная. Например, по теории вероятности, на каждого смертного иногда должен падать кирпич. Поделать с этим решительно ничего нельзя: закон Вселенной. Выходит, единственное, что вообще может выгнать смертного на улицу в столь неспокойное время, — это вера в лучшее. А вот у работника сферы ЖКХ мотивация сложнее: его на улицу толкает как раз тот самый кирпич, который норовит на кого-то упасть. Ведь работник об этом кирпиче знает и может все исправить. Равновероятно может и не исправлять, но главное, что при любом решении голый оптимизм его уже не утешит.
В таком положении в XX веке оказалась целая отрасль — мировая энергетика. Люди, уполномоченные решать, решили, что уголь, нефть и природный газ будут, как солнце в песне, всегда, что кирпич сидит крепко и никуда не денется. Допустим, денется — так есть термоядерный синтез, пусть пока и не вполне управляемый. Логика такая: открыли его быстро, значит, так же быстро покорят. Но годы шли, отчества тиранов забывались, а термоядерный синтез не покорялся. Все только заигрывал, да требовал больше обходительности, чем имели смертные. Они-то, кстати, ничего не решали, были себе тихонечко оптимистами.
Повод заерзать на стуле появился, когда о конечности ископаемых топлив начали говорить публично. Причем, какая она, конечность, непонятно. Во-первых, точный объем еще не найденных нефти или, скажем, газа подсчитать довольно трудно. Во-вторых, прогноз осложняется колебаниями цен на рынке, от которых зависит скорость добычи. И, в-третьих, потребление разного горючего непостоянно во времени и пространстве: например, в 2015 году мировой спрос на уголь (это треть всех существующих энергоносителей) впервые упал с 2009 года, но к 2040 году, как ожидается, резко возрастет, особенно в Китае и на Ближнем Востоке.
Мы для наглядности возьмем прогноз МЭА (Международного энергетического агентства) и наметим границу в 40–270 лет. Представим, что затем ископаемые топлива иссякнут.
Другой недостаток ископаемых топлив, обнаруженный с опозданием, — вредные выбросы. При сжигании угля, нефти и природного газа вырабатываются углекислый газ, угарный газ и остальные гадости, которые попадают в атмосферу. Чем больше в атмосфере таких летучих веществ, тем меньше солнечного света Земля отражает обратно в космос и тем страннее погода.
Ситуация с выбросами стала настолько щекотливой, что недавно МГЭИК
(Межправительственная группа экспертов по изменению климата) объявила ультиматум: отказаться от ископаемых топлив к 2100 году. Иначе изменения климата станут необратимыми.
Что получается: максимум за 270 лет мировая энергетика должна сойти с рельс нефти, угля и природного газа (пока 80 процентов электроэнергии генерируется благодаря им) и пересесть на что-то другое — безопасное, с высоким КПД и чтобы не било по карману. Цена — момент, первостепенный для развивающихся стран, включая Россию, где спрос на электроэнергию растет быстрее, чем ВВП. Страшно представить, что ждет тех, кто и в ОПЕК (Организация стран-экспортеров нефти) не состоит. Но ближе к делу, вернее, к «Нагану» грядущей энергетической революции — управляемому термоядерному синтезу.
Назло Кулону
Как мы помним, простейшее атомное ядро состоит из положительно заряженного протона и отрицательно заряженного электрона. Если к атомному ядру, скажем, водорода «прицепить» один нейтрон, получится изотоп — дейтерий. Если «прицепить» два нейтрона, получится другой изотоп — тритий. При этом с каждым новым нейтроном зарядовое число и химические свойства водорода будут оставаться прежними, а вот массовое число (сумма протонов и нейтронов) и физические свойства — меняться. Возможность конструировать атомные ядра, управляя их физическими свойствами, и интересует ядерную физику.
Для запуска термоядерного синтеза нужно сблизить два изотопа с небольшим зарядовым числом, допустим дейтерий и тритий, до расстояния одного атомного ядра, чтобы те «слиплись» и образовали новое, более тяжелое ядро, в нашем примере — гелия-4. По эйнштейновской формуле E=mc2 это приведет к высвобождению огромного количества энергии, часть которой (что характерно — большая) достанется одинокому нейтрону: при столкновении дейтерия и трития он улетит и никогда не вернется. Кстати, сведение ядер — первая проблема синтеза, и небольшое зарядовое число ее упрощает.
Схема термоядерного синтеза для дейтерия и трития. / © Sarah C.
Дело в том, что одноименно заряженные атомные ядра вообще-то сводить нельзя — действует кулоновское отталкивание. Поэтому газ дейтерия и трития приходится разгонять в вакууме, нагревая до температур свыше 100 миллионов градусов Цельсия. С атомов в результате слетают электронные оболочки, и газ переходит в состояние плазмы, состоящей только из заряженных частиц, что позволяет помыкать ей с помощью магнитных ловушек. На самом деле для современных установок 100 миллионов градусов не предел, правда, максимальное «время удержания энергии» в пекле, вдвое меньшем, пока не превышает и 102 секунд.
Компромисс между временем удержания плазмы и скоростью реакции — вторая проблема термоядерного синтеза. Подходов к ее решению целых два, по числу основных типов реакторов: квазистационарные (стеллараторы и токамаки) и инерциальные. Первые — это полые «бублики», в которых газ нагревается током и изолируется от внутренних стенок за счет магнитных полей. Вторые — «шарики», в них замороженные изотопы одновременно поджигаются и сдавливаются лазерами. Отличие в том, что токамаки и стеллараторы рассчитаны на долгую работу с разреженной плазмой, а «импульсные» — на «выстрелы» по упакованной смеси.
Строение токамака (слева) и «обычного» стелларатора (справа). / © Deutsche Physikalische Gesellschaft
Пытливый читатель, конечно, заметил: термоядерные реакторы уже существуют и даже разные. Тогда почему мы топим баню дровами, а не плазмой?
Звезды, война и физик-самоучка
Чтобы прочувствовать боль, которую причиняет ученым решение термоядерной головоломки, мысленно пройдем их путь. В 1934 году американский физик советского происхождения Георгий Гамов, разглядывая звезды, задался вопросом: что делает их горячими миллионы лет? На фоне недавнего открытия нуклонов и общего подъема ядерной мысли он закономерно рассудил, что дело в ядерных реакциях. Гипотезу Гамова спустя четыре года развил американец Ханс Бете. В центре Солнца, считал Бете, ядра водорода сталкиваются, превращаясь в изотопы, а затем и в другие элементы. Разница их массовых чисел и зажигает светило.
Шел 1938 год. Пока романтики рассуждали о мироустройстве, политики начинали аншлюс и готовились к холодной войне. В 1941 году американец итальянского происхождения, один из двух «отцов» цепной ядерной реакции Энрико Ферми предложил коллегам по Манхэттенскому проекту подумать над бомбой не распада, то есть атомной, а синтеза, то есть водородной. Идея Ферми страшно понравилась Эдварду Теллеру, причем по двум причинам: он любил трудности и был любопытен, а задача расщепления атомных ядер на тот момент была наполовину решена (первый ядерный реактор заработал уже в следующем, 1942-м, году). Неинтересно.
Эдвард Теллер. / © mithattosun.com
Роберт Оппенгеймер такого энтузиазма не разделял. Но сформировал из «проблемных» адептов термоядерной гипотезы запасной отряд под руководством Теллера. Когда «проблемный» математик Станислав Улам описал возможный алгоритм термоядерного синтеза, исследования вышли в практическое русло. И в 1951 году, через шесть лет после испытаний ядерного, США провели предварительное и спустя год — полномасштабное испытание термоядерного заряда. Топливом для него служили жидкие изотопы водорода, которые затем, ради увеличения мощности, заменили на твердотельный дейтерид лития-6 и -7.
Советский прототип термоядерного оружия, получивший уютное название «Слойка», был готов к 1949 году, а в 1950-м физик-самоучка Олег Лаврентьев — для разнообразия — высказался в пользу промышленного термоядерного синтеза. Неплохо бы, мол, не только ломать. Через несколько месяцев, одновременно с американцами, Игорь Тамм и Андрей Сахаров додумали концепцию Лаврентьева, предложив закольцевать движение плазмы в медном «бублике» и изолировать ее магнитными ловушками. В том же, 1951-м, году астрофизик Лайман Спитцер построил первый в мире образец термоядерного реактора — стелларатор.
Надо сказать, упоминание национальностей тут неслучайно. Гонка вооружений тормозила термоядерную энергетику не меньше, чем оптимизм и кулоновское отталкивание. В результате у СССР, который собирал водородную бомбу на позициях отстающего, свой термоядерный реактор появился только в 1954 году, и это был токамак. В типах реакторов тоже прослеживается идеология, или, если угодно, экзистенциальный подход: исторически так вышло, что стеллараторы были скорее американскими; токамаки — скорее советскими. Забегая вперед, скажем, что теперь эта тенденция неактуальна.
С другой стороны, именно запрос военных подстегивал физиков на научные революции. Следующие несколько лет мир сотрясали в основном локальные конфликты, поэтому термоядерная энергетика, лишенная той самой, глобальной обходительности, болталась в свободном плавании.
Сделаем еще одно отступление. Формально стеллараторы считались и считаются более прогрессивными, чем токамаки. Тому есть несколько причин. Во-первых, в стеллараторах плазму нагревают и удерживают только внешние токи и катушки. В токамаках розжиг происходит за счет электрического тока, протекающего в плазме и одновременно создающего дополнительное магнитное поле. Из-за этого в «бублике» токамака возникают свободные электроны и ионы уже со своими магнитными полями, которые норовят разрушить основное поле, сбить температуру и вообще все испортить.
Во-вторых, камеры стеллараторов не просто «бублики», а «мятые бублики»: в отличие от токамаков, у них нет азимутальной симметрии. При этом катушки на «мятых бубликах» стеллараторов имеют винтообразную, вложенную форму (на токамаках они прямые и параллельны друг другу) и «закручивают» силовые линии, то есть подвергают их вращательному преобразованию. Это тоже стабилизирует плазму и еще — отодвигает теоретический предел оптимального давления в камере. А квадрат давления примерно пропорционален скорости реакции. Чем выше давление, тем быстрее все произойдет.
Внутри тороидальной камеры JET. / © Idom
Стеллараторы доминировали ровно до 1969 года, когда температура плазмы (объемом всего в один кубический метр) в советском Т-3, первом и единственном токамаке, достигла рекордных трех миллионов градусов Цельсия, что лишь в пять раз меньше температуры в центре Солнца. Отрицая реальность происходящего, британские физики вызвались проверять результаты эксперимента, но, увы, чудо случилось. История с Т-3 ввела на токамаки моду: они понятнее и дешевле в строительстве. И в 1983 году в Великобритании был достроен крупнейший из ныне существующих термоядерных реакторов этого типа — JET.
Объем плазмы в JET составил уже около 100 кубических метров. За 30 лет он установил серию рекордов: решил первую проблему термоядерного синтеза, разогрев плазму до 150 миллионов градусов Цельсия; сгенерировал мощности в 1 мегаватт, а затем — в 16 мегаватт с показателем энергоэффективности Q ~ 0,7… Соотношение затраченной энергии к полученной — третья проблема термоядерного синтеза. Теоретически для самоподдерживающегося горения плазмы Q должен перевалить за единицу. Но практика показала, что мало и этого: на самом деле Q должен быть более 20. Среди токамаков Q JET пока остается непокоренным.
Строительная площадка ITER весной 2016 года. / © ITER Organization
Новой надеждой отрасли стал токамак ITER, который прямо сейчас всем миром строят во Франции. Показатель Q у ITER должен достигнуть 10, мощность — 500 мегаватт, которые для начала просто рассеют в пространстве. Работы над этим проектом ведутся с 1985 года и должны были закончиться в 2016 году. Но постепенно стоимость стройки выросла с 5 до 19 миллиардов евро, и дата ввода в эксплуатацию отодвинулась на 9–11 лет. При этом ITER позиционируется как мостик к реактору DEMO, который, по плану в 2040-х годах, сгенерирует первое «термоядерное» электричество.
Биография «импульсных» систем была менее драматичной. Когда в начале 1970-х годов физики признали, что вариант с «постоянным» синтезом неидеален, то предложили вычеркнуть из уравнения удержание плазмы. Вместо этого изотопы должны были помещаться в миллиметровую пластиковую сферу, та — в золотую капсулу, охлажденную до абсолютного нуля, а капсула — в камеру. Затем капсула синхронно «обстреливалась» лазерами. Идея в том, что если нагреть и сдавить топливо достаточно быстро и равномерно, то реакция произойдет еще до рассеяния плазмы. И в 1974 году частная компания KMS Fusion такую реакцию получила.
Золотая капсула NIF. / © Lawrence Livermore National Laboratory
Спустя несколько экспериментальных установок и лет выяснилось, что с «импульсным» синтезом не все так гладко. Равномерность сжатия оказалась проблемой: замороженные изотопы превращались не в идеальный шар, а в «гантелю», что резко снижало давление, а значит, и энергоэффективность. Ситуация привела к тому, что в 2012 году, через четыре года работы, от безысходности едва не закрылся крупнейший инерциальный американский реактор NIF. Но уже в 2013 году он сделал то, чего не удалось JET: первым в ядерной физике получил в 1,5 раза больше энергии, чем израсходовал.
Сейчас, помимо крупных, проблемы термоядерного синтеза решают «карманные», чисто экспериментальные, и «стартаперские» установки самых разных конструкций. Иногда и у них получается совершить чудо. Например, недавно физики из Рочестерского университета превзошли поставленный в 2013 году рекорд энергоэффективности в четыре, а затем и в пять раз. Правда, новые ограничения на температуру розжига и давления при этом никуда не делись, да и эксперименты проводились в реакторе, примерно втрое меньшем, чем NIF. А линейный размер, как мы знаем, имеет значение.
Зачем так напрягаться, недоумеваете вы? Чтобы было понятно, чем термоядерный синтез так привлекателен, сравним его с «обычным» горючим. Допустим, в каждый момент времени в «бублике» токамака находится один грамм изотопов. При столкновении одного дейтерия и одного трития выделяется 17,6 мегаэлектронвольта энергии, или 0,000 000 000 002 джоуля. Теперь статистика: сжигание одного грамма дров даст нам 7 тысяч джоулей, угля — 34 тысячи джоулей, газа или нефти — 44 тысячи джоулей. Сжигание же грамма изотопов должно привести к выбросу 170 миллиардов джоулей тепла. Столько весь мир потребляет примерно за 14 минут.
Нейтроны-беженцы и смертоносные ГЭС
Более того, термоядерный синтез почти безвреден. «Почти» — потому что нейтрон, который улетит и не вернется, забрав часть кинетической энергии, покинет магнитную ловушку, но далеко уйти не сможет. Скоро непоседа будет схвачен атомным ядром одного из листов бланкета — металлического «одеяла» реактора. Ядро, «поймавшее» нейтрон, при этом превратится либо в стабильный, то есть безопасный и относительно долговечный, либо в радиоактивный изотоп — как повезет. Облучение реактора нейтронами называется наведенной радиацией. Из-за нее бланкет придется менять где-то каждые 10–100 лет.
Самое время уточнить, что схема «сцепления» изотопов, описанная выше, была упрощенной. В отличие от дейтерия, который можно есть ложкой, легко создать и встретить в обычной морской воде, тритий — радиоизотоп, и искусственно синтезируется за неприличные деньги. При этом хранить его бессмысленно: ядро быстро «разваливается». В ITER тритий будут получать на месте, сталкивая нейтроны с литием-6 и отдельно добавляя готовый дейтерий. В результате нейтронов, которые попытаются «бежать» (вместе с тритием) и застрянут в бланкете, будет еще больше, чем могло показаться.
Типы радиоактивного излучения. / © Mirion Technologies
Несмотря на это, площадь радиоактивного воздействия термоядерного реактора будет пренебрежимо мала. Ирония в том, что безопасность предусмотрена самим несовершенством технологии. Поскольку плазму приходится удерживать, а «топливо» добавлять снова и снова, без надзора со стороны система проработает от силы несколько минут (плановое время удержания у ITER — 400 секунд) и погаснет. Но даже при одномоментном разрушении, по мнению физика Кристофера Ллуэллина-Смита, выселять города не придется: из-за низкой плотности плазмы трития в ней будет всего 0,7 грамма.
Разумеется, на дейтерии и тритии свет клином не сошелся. Для термоядерного синтеза ученые рассматривают и другие пары: дейтерий и дейтерий, гелий-3 и бор-11, дейтерий и гелий-3, водород и бор-11. В трех последних никаких «убегающих» нейтронов и вовсе не будет, а с парами водород — бор-11 и дейтерий — гелий-3 уже работают две американские компании. Просто пока, на нынешнем витке технологического невежества, сталкивать дейтерий и тритий чуть легче.
Да и простая арифметика на стороне новой отрасли. За последние 55 лет в мире произошло: пять прорывов ГЭС, в результате которых погибло столько, сколько на российских дорогах погибает за восемь лет; 26 аварий на атомных электростанциях, из-за которых погибло в десятки тысяч раз меньше людей, чем от прорывов ГЭС; и сотни происшествий на тепловых электросетях с бог весть какими последствиями. Зато за время работы термоядерных реакторов, кажется, ничто, кроме нервных клеток и бюджетов, пока не пострадало.
Холодный ядерный синтез
Каким бы крошечным он ни был, а шанс сорвать куш в «термоядерную» лотерею будоражил всех, не только физиков. В марте 1989 года два достаточно известных химика, американец Стэнли Понс и британец Мартин Флейшман, собрали журналистов, чтобы явить миру «холодный» ядерный синтез. Работал он так. В раствор с дейтерием и литием помещался палладиевый электрод и через него пропускали постоянный ток. Дейтерий и литий поглощались палладием и, сталкиваясь, иногда «сцеплялись» в тритий и гелий-4, вдруг резко нагревая раствор. И это при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении.
Перспектива получать энергию без головомойки с температурой, давлением и сложными установками была слишком заманчива, и на следующий день Флейшман и Понс проснулись знаменитыми. Власти штата Юта выделили на их исследования «холодного» синтеза 5 миллионов долларов, еще 25 миллионов долларов у Конгресса США запросил университет, в котором работал Понс. Ложку дегтя в историю добавляли два момента. Во-первых, подробности эксперимента появились в The Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry только в апреле, спустя месяц после пресс-конференции. Это противоречило научному этикету.
Стэнли Понс (слева) и Мартин Флейшман (справа). / © Paul Barker
Во-вторых, у специалистов по ядерной физике к Флейшману и Понсу возникло много вопросов. Например, почему в их реакторе столкновение двух дейтронов дает тритий и гелий-4, когда должно давать тритий и протон или нейтрон и гелий-3? Причем проверить это было просто: при условии, что в палладиевом электроде происходил ядерный синтез, от изотопов «отлетали» бы нейтроны с заранее известной кинетической энергией. Но ни датчики нейтронов, ни воспроизведение эксперимента другими учеными к таким результатам не привели. И за недостатком данных уже в мае сенсация химиков была признана «уткой».
Несмотря на это, труд Понса и Флейшмана внес в ядерную физику и химию сумятицу. Ведь что произошло: некая реакция изотопов, палладия и электричества привела к выделению положительной энергии, точнее, к спонтанному нагреванию раствора. В 2008 году похожую установку журналистам показали японские ученые. Они помещали в колбу палладий и оксид циркония и под давлением накачивали в нее дейтерий. Из-за давления ядра «терлись» друг о друга и превращались в гелий, выделяя энергию. Как и в эксперименте Флейшмана-Понса, о «безнейтронной» реакции синтеза авторы судили только по температуре в колбе.
У физики объяснений не было. Но могли быть у химии: что если вещество изменяют катализаторы — «ускорители» реакций? Один такой «ускоритель» якобы использовал итальянский инженер Андреа Росси. В 2009 году он вместе с физиком Серджио Фокарди подал заявку на изобретение аппарата для «низкоэнергетической ядерной реакции». Это 20-сантиметровая керамическая трубка, в которую помещаются порошок никеля, неизвестный катализатор и под давлением накачивается водород. Трубка нагревается обычным электрокалорифером, частично превращая никель в медь с выделением нейтронов и положительной энергии.
До патента Росси и Фокарди механику «реактора» не разглашали из принципа. Потом — со ссылкой на коммерческую тайну. В 2011 году установку начали проверять журналисты и ученые (почему-то одни и те же). Проверки заключались в следующем. Трубку нагревали на несколько часов, измеряли входную и выходную мощность и изучали изотопный состав никеля. Вскрывать было нельзя. Слова разработчиков подтверждались: энергии выходит в 30 раз больше, состав никеля меняется. Но как? Для такой реакции нужно не 200 градусов, а все 20 миллиардов градусов Цельсия, поскольку ядро никеля тяжелее даже железа.
Андреа Росси во время испытаний аппарата для «низкоэнергетической ядерной реакции» (слева). / © Vessy’s Blog
Ни один научный журнал итальянских «волшебников» так и не опубликовал. Многие довольно быстро махнули на «низкоэнергетические реакции» рукой, хотя последователи у метода есть. Сейчас Росси судится с правообладателем патента, американской компанией Industrial Heat, по обвинению в краже интеллектуальной собственности. Та считает его мошенником, а проверки с экспертами — «липой».
И все же «холодный» ядерный синтез существует. Он действительно основан на «катализаторе», — мюонах. Мюоны (отрицательно заряженные) «выпинывают» электроны с атомной орбитали, образуя мезоатомы. Если столкнуть мезоатомы с, например, дейтерием, получатся положительно заряженные мезомолекулы. А так как мюон в 207 раз тяжелее электрона, ядра мезомолекул будут в 207 раз ближе друг к другу — того же эффекта можно добиться, если нагреть изотопы до 30 миллионов градусов Цельсия. Поэтому ядра мезоатомов «сцепляются» сами, без нагрева, а мюон «прыгает» на другие атомы, пока не «увязнет» в мезоатоме гелия.
К 2016 году мюон научили совершать примерно 100 таких «прыжков». Затем — либо мезоатом гелия, либо распад (время жизни мюона — всего 2,2 микросекунды). Овчинка не стоит выделки: количество полученной от 100 «прыжков» энергии не превышает 2 гигаэлектронвольт, а на создание одного мюона нужно 5–10 гигаэлектронвольт. Чтобы «холодный» синтез, точнее, «мюонный катализ», был выгодным, каждый мюон должен научиться 10 тысячам «прыжков» или, наконец, перестать требовать от смертных слишком много. В конце концов, до каменного века — с пионерскими кострами вместо ТЭЦ — осталось каких-то 250 лет.
Впрочем, в конечность ископаемых топлив верят не все. Менделеев, например, отрицал исчерпаемость нефти. Она, думал химик, — продукт абиотических реакций, а не разложившихся птеродактилей, поэтому самовосстанавливается. Слухи об обратном Менделеев вменял братьям Нобель, которые в конце XIX века замахнулись на нефтяную монополию. Вслед за ним советский физик Лев Арцимович и вовсе выражал убежденность в том, что термоядерная энергетика появится только тогда, когда будет «действительно» нужна человечеству. Выходит, Менделеев и Арцимович были хоть лицами и решающими, а все же — оптимистами.
И в термоядерной энергетике мы на самом деле пока не нуждаемся.
