Фото: Xinhua / Chinese Academy of Science
В 2019 году Национальная ядерная корпорация Китая (CNNC) заявила, что планирует к концу года построить установку HL-2M Tokamak, которую в народе называют «искусственное Солнце». Все верно, пока американцы изучают наше светило в далеком космосе, китайские власти решили сотворить Солнце прямо на Земле.
На днях стало известно, что в Китае, не отставая от графика, все же был успешно запущен экспериментальный термоядерный реактор HL-2M Tokamak. Согласно прогнозам ученых, установка позволит удерживать внутри реактора плазму, разогретую до 150 млн градусов по Цельсию. Для сравнения, ядро настоящего Солнца имеет температуру в 10 раз ниже. Мы решили более подробно разобраться, что представляет собой китайское “искусственное Солнце”, с чего начиналась история создания термоядерных реакторов, зачем все это нужно и чем опасно.
История создания Токамаков
Что такое Токамак — это тороидальная установка для магнитного удержания плазмы. Его миссия заключается в создании необходимого состояния, при котором возможно прогнозируемое управление термоядерным синтезом. Удивим вас, а может и нет, но задумка управляемого термоядерного синтеза родилась в СССР около 70 лет назад. Сам термин “токамак” также был придуман в Советском Союзе в 50-х годах Игорем Головиным, учеником академика Курчатова. Токамак расшифровывается как тороидальная камера с магнитными катушками. Термин активно используется в большей части существующих языков.
Первый подобный реактор был создан в 1954 году, и на протяжении долгих лет они существовали исключительно на территории СССР. Только спустя 14 лет, когда в 1968 году термоядерный реактор T-3 смог разогреть плазму до 11,6 млн градусов по Цельсию, ученые из Великобритании посетили советских коллег, чтобы зафиксировать столь грандиозное событие, в которое до этого отказывались верить. Новость моментально разлетелась по миру, после чего начался настоящий бум строительства токамаков.
Фото: fusionforenergy.europa.eu
Возвращаясь к Китаю, инженеры и ученые Поднебесной впервые смогли запустить экспериментальный термоядерный реактор HT-7 только в 1994 году. В 2003 в Китае решили начать собирать новый сверхпроводящий токамак EAST, а запустили его в 2006 году. Именно EAST первым достиг отметки разогрева плазмы в 100 млн градусов. На протяжении 14 лет китайские ученые плотно работали над уменьшением размеров термоядерных реакторов, а также решали проблему более длительного поддержания синтеза. Нынешний рекорд самой длинной реакции по времени составляет 6,5 минут и поставили его еще в далеком 2003 году во Франции на установке WEST.
Как работает термоядерный реактор
Сперва разберемся, как работает токамак и что происходит за его стенками. Мы сказали, что внутри установки до невиданных ранее температур разогревается плазма, но что удерживает ее внутри? Металлическая стенка не в состоянии выдержать температуры в сотни миллионов градусов, а вот мощнейшему электромагнитному полю это под силу. Разогретую плазму удерживает внешнее тороидальное и внутреннее полоидальное поле тока, протекающее по плазменному шнуру. Электрический ток одновременно обеспечивает и разогрев плазмы, и удержание ее в состоянии равновесия в вакуумной среде. Единственная сложность - это длительность удержания реакции в условиях ограниченного пространства. Новенький HL-2M Tokamak, запущенный на днях в Поднебесной, способен удерживать разогретую до 150 млн градусов плазму в равновесии не более 10 секунд!
Фото: ITER
Миссия «искусственного Солнца»
Основная часть энергии в мире получается за счет сжигания легкодоступных полезных ископаемых. Однако запасы их конечны, да и окружающей среде наносится непоправимый вред. Идея токамака - получение чистой, практически неиссякаемой энергии посредством управляемого термоядерного синтеза. Китайское детище HL-2M Tokamak — это не просто мощная установка, а еще один шаг на пути к достижению этой цели. Для того, чтобы человечество смогло создавать функциональные термоядерные реакторы, служащие во благо, необходимо выполнение трех важнейших условий:
- достижение температурной границы ионов до 100 млн градусов и выше, чтобы реакция синтеза стала самоподдерживающейся;
- удержание разогретой плазмы в течение длительного времени внутри ограниченного пространства;
- обеспечение высокой плотности разогретого вещества.
HL-2M Tokamak уже способен выполнить первое условие. Если ученые Китая смогут решить две оставшиеся задачи, то новенький токамак ляжет в основу ныне создаваемого Международного экспериментального термоядерного реактора (ITER).
Фото: Wikimedia / Oak Ridge National Laboratory / CC BY 2.0
На пути к великой цели
Создание и успешные испытания HL-2M Tokamak в Поднебесной — это следующая ступень на пути к получению безубыточной термоядерной энергии. Именно в этом и заключается миссия ITER. Международный мегапроект финансируется и управляется 7-ю странами-членами: ЕС, Китаем, Индией, Японией, Россией, США и Южной Кореей, а всего он включает участие около 35 стран. Хотя свое существование проект начал в 2007 году, а задумка о его создании тянется еще с 1985 года, сам термоядерный реактор для комплекса ITER начали строить только в 2013 году.
Установка по итогу должна стать самой большой среди всех построенных токамаков с 1950-х годов. Именно ее создают уже не для научных целей, а как первый рабочий термоядерный реактор, способный производить достаточное количество энергии, спрос на которую с каждым годом становится все выше. В итоге успешная реализация ITER даст толчок к разработке коммерческих термоядерных электростанций. Это позволит получать экологически чистую энергию, отказавшись от «грязных» ТЭС или условно безопасных АЭС. При этом полученная электроэнергия будет дешевой, сравни той, которую производят АЭС и это без надобности последующего захоронения ядерных отходов. По состоянию на 31 августа 2020 года ITER готов на 70% к выпуску первой партии плазмы. Нынешняя стоимость проекта составляет более 22 млрд евро, а к моменту запуска, который произойдет в 2035 году, общие затраты составят не менее 65 млрд евро.
Фото: fusionforenergy.europa.eu
В чем опасность «искусственного Солнца» и токамаков в целом
Естественно, установка имеет не только положительные, но и отрицательные стороны. Нет, никаких сверхмассивных взрывов, появление очередного Чернобыля или черной дыры, в случае чего, не предполагается. Но проблемы есть и большая часть критиков заявляют, что термоядерные реакторы, в частности ITER, нежизнеспособны по ряду причин:
- высокоэнергичные нейтроны в реакторе невозможно будет долго удерживать в равновесии и они повредят его стенки, выведя установку из строя;
- нейтронная бомбардировка внутри реактора может вызвать радиоактивность, тем самым загрязняя его и делая невозможным последующее обслуживание и эксплуатацию;
- уже сейчас наблюдается повышенная нагрузка на диверторы (устройства внутри реактора, отвечающие за удаление отходов из плазмы во время его работы). Это значит, что в будущем при создании коммерческих электростанций необходимо будет применять диверторы нового типа, однако на их разработку до сих пор не выделяется финансирование;
- последнее — опасность мощного взрыва установки, поскольку ученые до сих пор не в состоянии полностью контролировать высокоэнергетические изотопы водорода дейтерия и трития, используемые в термоядерном синтезе ITER.
Но не все так печально, поскольку специалисты, занимающиеся разработкой токамака ITER уверяют, что термоядерный реактор в сотни раз безопаснее ядерных реакторов деления в вопросе образования радиоактивных отходов. Фактически, установка имеет нулевое радиационное и газообразное загрязнение окружающей среды. Кроме того, последние исследования позволили на 50% снизить прогнозируемые затраты на поддержание реакции в токамаках, а также увеличить мощность будущих установок до 2000 МВт высвобождаемой энергии. Это не говоря уже о том, что термоядерные электростанции помогут повернуть вспять процессы по изменению климата и в целом улучшить экологическую обстановку на Земле.
Это тоже интересно:
