Фото: Wikimedia / Oak Ridge National Laboratory / CC BY 2.0

Главная проблема термоядерного реактора состоит в том, что температура газа, разогретого до состояния плазмы, значительно превышает температуру на поверхности Солнца. Показательным примером в этом смысле является китайский термоядерный реактор. Внутри токамака EAST, прозванного «китайским искусственным солнцем», учёные разогрели плазму до ста миллионов градусов. В недрах Солнца газ разогревается всего лишь до 15 млн градусов.

Как работает термоядерный синтез. GIF-анимация: Wikimedia / Anynobody / CC BY-SA 3.0

Ни один из существующих материалов длительный нагрев такой температурой выдержать не может — любой, даже самый прочный сплав, созданный в секретных военных лабораториях, деформируется и превратится в пыль, если реакцию чуть-чуть «передержать». Именно по этой причине термоядерная реакция на данном этапе не длится больше минуты. Китайским учёным, по большому счёту, повезло — они смогли удержать плазму и получить некоторое количество энергии в течение 100 секунд, но затем аварийная защита реактора отключила комплекс из-за перегрева.

Современные термоядерные реакторы воспроизводят процессы, происходящие на Солнце, достигая температур, которые превышают температуру солнечного ядра в 6 раз.

Должен быть маленьким

Портативный термоядерный реактор, который работает на мусорном топливе прямо на борту «ДеЛориана» в фильме «Назад в будущее» — по своей сути не такая уж беспочвенная технологическая выдумка. Фактически, концепция, описанная в фильме, представляет собой идеальную потребительскую модель продукта будущего. Но для того, чтобы создать маленький и портативный реактор, нужно сначала достроить большой, и заставить его работать так, как нужно.

В 2020 году во Франции, несмотря на мировую пандемию коронавируса, началась окончательная сборка корпусов первого термоядерного реактора ITER. Ключевым элементом реактора должен стать герметичный криостат и вакуумная камера, внутри которых будет поддерживаться процесс термоядерного синтеза. Закончить сборку обещают к 2025 году, а первый пуск намечен на 2026–2027 год.

ITER, по мнению многих учёных, — это проект, который обязательно провалится, но закрывать который категорически нельзя. Но тут важно понять, что международные распри даже внутри ЕС и научного сообщества в целом влияют на то, как понимают проблему и устройство термоядерного реактора в мире.

Судите сами. Международная группа учёных, включая российских специалистов, десяток лет доводит ITER до совершенства и не меняют конструкцию «кольцевого» реактора. А потом появляются британские учёные, которые говорят, что сферический реактор проще, лучше, дешевле, эффективнее, и несколько раз демонстрируют расчёты потенциального КПД.

К слову, британцы, считающие ITER бесперспективным, испытывают сразу три реактора разных типов. Первый — Tokamak Energy, основан на классическом понимании принципа получения термоядерной энергии и в некотором смысле копирует решения ITER, только в слегка измененном виде.

Экспериментальный термоядерный реактор ITER. Фото: IOP Publishing / International Atomic Energy Agency / The ITER magnet systems: progress on construction

Второй — совместное решение британского Минэнерго и компании Westinghouse, основанное на быстром реакторе со свинцовым охлаждением.

Третий — небольшой высокотемпературный реактор U-Battery с газовым охлаждением. Он максимально приближен к тому, что демонстрировал Эммет Браун в фильме «Назад в будущее».

Профессор физики Войцех Ковалик пояснил, что из-за такой неразберихи у научного сообщества нет точного понимания и единой концепции развития.

«Конечно не будет никакого коммерческого решения ещё лет 30, не меньше. Не развита сама технология, несмотря на суперкомпьютеры и глубокое понимание механизмов, по которым плазма взаимодействует с реактором. Наука сейчас лишь на первой ступени в истории с термоядерным синтезом. ITER делу не поможет — это большая лаборатория, постройка которой поможет понять, ошибались ученые в понимании плазмы или нет», — говорит Ковалик.

В таких условиях, по словам Ковалика, нет смысла рассуждать ни о больших, ни тем более о маленьких портативных реакторах. Единственным существующим решением в этой области, по словам Ковалика, остается реактор Тони Старка из фильма «Железный человек», хотя и ту технологию дальше эксперимента никуда не выводили.

В теории создания портативного термоядерного реактора максимально преуспел американский физик Сальваторе Сезар Пайс (Salvatore Cezar Pais) из авиационного дивизиона Военно-морского военного центра. Он запатентовал технологию нагрева и удержания плазмы в тепловом контуре с помощью динамического фузора. Устройства, которое быстро вращаются и сильно вибрируют внутри камеры, создавая «концентрированный поток магнитной энергии» (concentrated magnetic energy flux). Но почти сразу публикаций статьи об этом открытии патент засекретили.

Топливное бешенство

Нет общего мнения и по части топлива, которым нужно «топить» термоядерные реакторы. «Свидетели секты изотопов гелия» считают, что сжигание гелия-3 в топке термоядерного реактора первого поколения — это решение на 200–300 лет, пока не придумают что-нибудь получше. Реалисты отвечают расчётами стоимости добычи гелия-3 в лунном грунте и стоимости его доставки на Землю.

Наиболее перспективными в данный момент считают два вида топливных пар: дейтерий-тритий, и гелий-3-бор. Первый вид топлива считается предпочтительным для использования в «базовых» реакторах на начальной стадии развития технологий, вторая топливная сборка понадобится, когда «термояд» освоят в промышленных масштабах.

Вероятный облик завода, добывающего гелий-3 на Луне. Фото: ExplainingTheFuture

Но совсем недавно физики из МТИ протестировали третий вид топлива: дейтерий-водородную топливную сборку, в которую добавляется специальная «присадка». В качестве последней используется хорошо знакомый сторонникам лунной колонизации гелий-3. Изотоп гелия, как выяснилось в ходе экспериментов, ускоряет реакцию и облегчает «течение» плазмы внутри стенок реактора.

В новом типе топлива концентрация гелия-3 составляет меньше одного процента. Но именно ионы газа ускоряют реакцию и снижают количество электроэнергии, необходимой, чтобы «поджечь» термоядерную реакцию.

Главная проблема состоит в том, что практического применения ни одна из этих топливных сборок, как и сами реакторы, могут не увидеть. Сложность кроется там, где всегда рождается множество споров. Бюрократические тонкости и разногласия учёных привели к тому, что до сих пор ни одной страной мира, ни ведущими агентствами по ядерной энергетике (например, МАГАТЭ) не утверждены рекомендованные к испытаниям термоядерные реакторы.

По существу, даже ITER, строительство которого обошлось в 45 млрд евро, представляет собой очень дорогую и рискованную попытку понять, как можно обуздать и подчинить термоядерный синтез. В случае, если термоядерная реакция выйдет из-под контроля и земли недалеко от курортного Марселя превратятся в семипалатинский ядерный полигон, ошибку постараются списать на кого-то одного, а не на научное сообщество в целом. Именно по этой причине прогресса с получением «чистой энергии» не удаётся достичь много лет.

Источник.

Различные типы керамики из карбида бора. Сканирующая электронная микроскопия.

Старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат физико-математических наук Андрей Шошин отметил, что железоводный способ защиты, используемый в реакторах деления, не подходит для проекта ИТЭР из-за строгих ограничений по весу всей конструкции. «Нам был нужен очень легкий материал, – пояснил он, – который эффективно захватывает как горячие нейтроны, рожденные в результате термоядерных реакций, так и медленные, рассеянные затем на элементах конструкций. Материалом, отвечающим всем требованиям, оказался бор. Точнее, одно из его самых легких соединений – карбид бора. Чтобы предложить использование керамики из карбида бора в проекте ИТЭР, мы провели элементный анализ, показавший, что материал не содержит запрещенных примесей, и доказали, что его можно использовать в вакууме».

Исследования керамики из карбида бора проводились в вакуумной лаборатории ИЯФ СО РАН. Научный сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат технических наук Алексей Семенов отметил, что материал, используемый для нейтронной защиты, будет находиться в вакууме, получение которого зависит не только от средств откачки, но также и от того, как газ выделяется веществом. «Чтобы показать, как керамика из карбида бора ведет себя в вакууме, – пояснил он, – мы проводили опыты по измерению коэффициента термического газоотделения для двух ее видов – горячепрессованной и свободноспеченной. Новизна экспериментов в том, что этот материал никто и никогда не использовал в вакуумных технологиях (только для создания бронежилетов). Вакуумные свойства керамики из карбида бора были малоизучены».

После проведения опытов с данным материалом ученые ИЯФ СО РАН предоставили отчет в головную организацию проекта ИТЭР, которая утвердила керамику из карбида бора как материал для нейтронной защиты.

«Будкеровский институт принимает участие во многих международных научных проектах, – прокомментировал руководитель диагностического департамента ИТЭР Майкл Уолш, – ИТЭР – не исключение. Перед специалистами из Новосибирска стояла задача – изучить материал, способный обеспечить эффективную радиационную защиту и снизить радиационный фон, при этом не утяжелив конструкцию токамака».

Керамика из карбида бора, отметил Майкл Уолш, будет использоваться в условиях высокого вакуума, поэтому для корректных результатов ученым нужно было решить сложную физическую задачу – измерить коэффициент термического газоотделения карбида бора. «С ней наши коллеги блестяще справились, – прокомментировал он, –Следующая задача – разработать технологию производства керамики из карбида бора для ИТЭР, которая позволит нарабатывать материал в больших объемах по разумной стоимости. Для ИТЭР ключевыми характеристиками при выборе материала были малый вес и способность эффективно поглощать нейтроны. Но керамика из карбида бора может использоваться и в других областях – например, в ядерной промышленности как поглотитель нейтронов, в аэрокосмической отрасли, которой необходимы новые композитные материалы с металлической матрицей, на производствах, где требуются сверхпрочные конструкции».

Источник