Как создать искусственное солнце: уникальный эксперимент на юге Франции
В ноябре 1985 года внимание всего мира было приковано к Женеве. Главы крупнейших держав того времени – лидер Советского Союза Михаил Горбачев и президент США Рональд Рейган – встретились впервые на совместном саммите и обсудили возможность начала дипломатического диалога о прекращении гонки вооружений. Наряду с дискуссиями об атомных бомбах и будущем холодной войны, Горбачев представил президенту Рейгану свое видение будущего, которое можно описать словами из книги Филипа К. Дика: «устройство, имитирующее то, как Солнце и другие звезды производят энергию».
37 лет спустя, рано утром, мы выезжаем из портового города Марсель на юге Франции в сторону мирных деревушек Прованса. Дорога проходит между полями и винодельнями дивной красоты, где производятся одни из лучших вин в мире. Примерно через два часа мы прибываем к месту назначения: между зелеными холмами стоят десятки огромных зданий. Экспериментальная площадка занимает площадь около 180 дунамов. Это проект ИТЭР, название которого в переводе с латыни означает «путь» и является аббревиатурой слов «Международный термоядерный экспериментальный реактор» (International Thermonuclear Experimental Reactor).
Здесь, за надежными железными воротами, лучшие ученые и инженеры мира пытаются воплотить в жизнь замысел Горбачева и доказать, что энергию можно производить в промышленных масштабах с помощью процесса термоядерного синтеза. «Если все будет идти по плану, в будущем мы сможем строить электростанции, которые, используя всего один грамм топлива, будут производить энергию, эквивалентную той, что вырабатывается в настоящее время из 8 миллионов тонн нефти, и все это без выбросов парниковых газов в атмосферу», – говорит представитель ИТЭР Сабина Гриффит.
В прошлом веке люди научились использовать ядерные процессы для производства разрушительных атомных бомб, а также для эффективного производства электроэнергии. Сегодня в мире действуют сотни атомных электростанций, которые обеспечивают около 10% всего мирового производства электроэнергии. Эти станции основаны на физическом процессе, называемом ядерным делением, при котором ядро нестабильного атома расщепляется на более легкие ядра и некоторое количество нейтронов. Данный процесс вызывает высвобождение огромного количества энергии, которую можно использовать для производства электричества. Термоядерный синтез, подобный тому, который хотят продемонстрировать в ИТЭР, основан на другом ядерном процессе, в котором вместо деления тяжелых атомов два ядра легких атомов могут сливаться в одно ядро более тяжелого атома. Этот процесс также приводит к выделению энергии, мощность которой до четырех раз превышает мощность, выделяемую при делении ядер. Энергия, полученная таким образом, не сопровождается выбросами углерода и не несет риска катастроф, подобных Чернобыльской. Она также всегда доступна, в отличие от солнечной энергии или энергии ветра, которые зависят от погоды и времени суток.
«В последние десятилетия ученым удалось имитировать процесс производства энергии на Солнце путем плавления ядер водорода, – объясняет Сабина Гриффит. – Но процесс, происходящий на Солнце, создает прирост энергии таким образом, что количество энергии, которое высвобождается при синтезе, больше, чем затрачивается при синтезе ядер водорода. На Земле еще никому не удавалось этого достичь».
Гриффит объясняет, что естественные условия на Солнце, в том числе высокая температура и гравитация, позволяют достичь значительного прироста энергии. Наилучший результат в попытке добиться увеличения энергии за счет использования термоядерного синтеза принадлежит NIF, экспериментальной установке в США, основанной на лазерной технологии. В прошлом году исследователям удалось произвести на этой установке энергию, равную 70% от общей энергии, затрачиваемой на процесс. Однако цель, которую они ставят перед ИТЭР, гораздо более амбициозна. «Цель состоит в том, чтобы производить энергию в количестве, в десять раз превышающем то, которое будет вложено в термоядерный синтез, – поясняет Гриффит. – То есть превратить 50 мегаватт энергии в 500 мегаватт. Следует помнить, что при производстве электроэнергии значительная часть энергии «тратится впустую», пока не дойдет до потребителя, поэтому, если мы хотим доказать миру, что можно производить электроэнергию в промышленных масштабах с помощью термоядерного синтеза, мы должны не только пройти 100-процентную отметку, но и перейти ее».
Гриффит уточняет, что ИТЭР – это не прототип электростанции, а научно-исследовательский центр, и что предстоит еще долгий путь, чтобы решить мировые энергетические проблемы. «Люди часто разочаровываются, потому что уверены, что мы строим здесь электростанцию, которая будет вырабатывать электроэнергию, но это не так. Мы не пытаемся изготовить здесь модель такой станции, мы хотим только провести эксперименты, которые докажут возможность применения термоядерной энергии. Ведь никто не ожидал, что Леонардо да Винчи, первый человек в истории, сконструировавший модель самолета, сам изготовит гигантский самолет».
Токамак (тороидальная камера с магнитными катушками для магнитного удержания плазмы с целью достижения условий, необходимых для протекания управляемого термоядерного синтеза) – устройство, лежащее в основе эксперимента. Это устройство, которое будет полностью собрано из не менее чем 10 миллионов деталей, а его общий вес составит около 23 тысяч тонн, что более чем в три раза превышает вес Эйфелевой башни. Вот что будет происходить внутри него: два изотопа элемента водорода, дейтерий и тритий, будут в состоянии газонакопления перетекать в вакуумный контейнер в форме бублика, расположенный в центре установки. Электричество, протекающее через центральный электромагнит, создаст вокруг газа напряжение, и под действием напряжения электроны будут отделяться от атомов изотопов. В результате их агрегатное состояние изменится с газообразного на плазменное – четвертое агрегатное состояние (помимо твердого, жидкого и газообразного), составляющее 99,9% нашей Вселенной, включая Солнце и звезды. Здесь, на Земле, плазма в основном используется для изготовления телевизионных экранов и флуоресцентных ламп, и мы можем наблюдать ее в различных природных явлениях, таких как молнии и северное сияние.
Чтобы отвести горячую плазму от стенок камеры, к ней будет приложено мощное магнитное поле, которое будет удерживать ее в виде кольца в центре вакуумной камеры. На первом этапе он достигнет температуры около 10 миллионов градусов по Цельсию, но для того, чтобы на самом деле произошло действие синтеза, требуется гораздо более высокая температура. Ученые стремятся поднять температуру плазмы до 150 миллионов градусов Цельсия, что в десять раз превышает температуру в ядре Солнца. И тогда начнется настоящее волшебство.
В реакции синтеза дейтерий, состоящий из протона и нейтрона, будет сливаться с тритием, состоящим из протона и двух нейтронов. В результате соединения получится ядро элемента гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов, и дополнительный одиночный нейтрон, который получит большую часть избыточной энергии. Ядра гелия будут отдавать свою энергию плазме, поэтому она будет поддерживать стабильную температуру. Выполнив свою работу, ядра гелия станут «мусором» и будут эвакуированы из пространства, где находится плазма. В то же время дополнительные нейтроны, которые будут созданы в процессе, смогут вырваться из плазмы, попасть на «одеяло», которое будет размещено на стенках токамака, и преобразовать свою кинетическую энергию в тепло, которое может быть использовано для нагрева воды и производства пара, приводящего в действие турбины для производства электроэнергии – процесс, аналогичный тому, который происходит на сотнях электростанций по всему миру.
«Если все будет работать, как задумано, в будущем мы сможем построить электростанции, которые, используя всего один грамм топлива, будут производить энергию, равную той, что производится в настоящее время из 8 миллионов тонн нефти, и все это без каких-либо выбросов парниковых газов», – взволнованно говорит Гриффит, подчеркивая, что проект из любопытного научного эксперимента превратится в источник надежды для человечества в целом.
Билл Гейтс назвал проект «претенциозным» и выразил сомнение в том, что он будет использован в качестве основы для разработки в промышленных масштабах. «У ученых-ядерщиков есть старая шутка: до термоядерного синтеза еще 40 лет, и так будет всегда».
Еще одна критика, прозвучавшая в адрес проекта, касается одного из изотопов, который будет управлять всем процессом, – трития. В то время как дейтерий распространен в природе и может быть легко извлечен из морской воды, тритий производится только искусственным путем. Насколько редко? Сегодня мировое количество трития оценивается всего примерно в 20 кг, а цена одного грамма составляет около 30 тыс. долларов. Если ядерный синтез станет методом производства электроэнергии в промышленных масштабах, ожидается, что цена возрастет еще больше.
Относительным экологическим преимуществом использования и производства трития в процессе ядерного синтеза по сравнению с радиоактивными веществами, образующимися в процессе ядерного деления, является его период полураспада: он составляет 12,3 года, что бесконечно меньше, чем у большинства радиоактивных отходов, образующихся в процессе ядерного деления. Это означает, что примерно через сто лет степень радиоактивности отходов, образующихся в процессе синтеза, будет снижаться до тех пор, пока их можно будет перерабатывать и использовать повторно.
Но прежде чем все это произойдет, исследователи ИТЭР должны завершить первый эксперимент, который должен доказать, что производство электроэнергии в промышленных масштабах с использованием термоядерного синтеза действительно возможно. В последние годы руководство ИТЭР заявляло, что эксперимент будет проведен в 2025 году, ровно через 40 лет после знаменитой встречи Горбачева и Рейгана. Однако Гриффит впервые сообщает TheMarker, что на данный момент они не ожидают достижения поставленной цели. Несмотря на задержку, ученые сохраняют оптимизм. «Мы уверены, что рано или поздно эксперимент сработает, и когда он сработает, это будет все равно что стать свидетелем первого полета братьев Райт. Только вместо того, чтобы летать на самолете, мы создадим маленькое искусственное солнце прямо здесь, на поверхности земли».
Том Левинсон (תום לוינסון), TheMarker