Укрощение Солнца

30 май 2017 10:35:22
Дмитрий Сидоров, УНИАН

Украина с 2017 года начала принимать участие в важном для технологического развития человечества проекте – разработке надежных реакторов, которые позволят получать колоссальные объемы практически неиссякаемой энергии. Ее источником станут термоядерные реакции, которые уже миллионы лет заставляют светиться наше Солнце и пока с трудом поддаются укрощению человеком.  
Человечество уже как несколько тысяч лет получает энергию путем сжигания углеводородного топлива – дров, угля, газа и нефти, которые представляют собой форму энергии Солнца (именно благодаря свету нашей звезды растут растения, которые, со временем, превращаются в то или иное топливо). Львиная доля этого топлива была запасена в геологических формациях задолго до появления человека на Земле. В прошлом веке наша цивилизация осознала простую истину: активное использование этой энергии неизбежно приведет к ее дефициту.
Последние несколько десятков лет человек научился получать электроэнергию из солнечных лучей, используя солнечные батареи. Пока будет светить Солнце – а это, как минимум, несколько миллиардов лет – наша планета будет обеспечена этим источником энергии.
Преобразование солнечных лучей в стабильный источник электрического тока сталкивается с одной объективной проблемой: что делать тем регионам, которые днями, а то и неделями из-за облачности не видят Солнца?
Ученые подсказали выход: человечеству совсем необязательно зависеть от туч, которые в любой момент могут закрыть собой источник энергии. Уменьшенный вариант «солнца» можно создать здесь, на нашей планете, и получать чистую энергию, практически в неограниченном объеме и без разрушения хрупкого экологического баланса Земли.
В научном мире этот вид энергии назвали плазмой, а метод ее получения – термоядерным синтезом. Работы в области управляемого термоядерного синтеза (УТС) уже десятки лет проводятся ведущими странами мира. Но эти исследования являются дорогостоящими и чрезвычайно сложными, поэтому многие эксперименты проводятся совместными усилиями нескольких стран, в том числе и Европейским Союзом.

Украинский вклад

Несколько месяцев назад к европейским коллегам присоединились и украинские физики. По словам директора Института физики плазмы Национального научного центра «Харьковский физико-технический институт» и представителя нашей страны в Генеральной ассамблее EuroFusion (программа Евроатома по изучению УТС) Игоря Гаркуши в конце сентября прошлого года Украина и Евроатом подписали Соглашение о научном и технологическом сотрудничестве, а также об ассоциированном членстве Украины в программе научных исследований и обучения на 2014-2018 годы. Это соглашение сделало возможным участие украинских ученых в европейских термоядерных исследованиях.
«До января этого года мы сотрудничали с европейцами, но на уровне между лабораториями, у нас не было официального статуса… Мы шли к этому ассоциированному членству на протяжении 10 лет. В соглашении сказано, что, начиная с 1 января 2017 года, Украина вовлекается в европейскую программу по изучению управляемого термоядерного синтеза. Таким образом, с начала этого года мы получили статус ассоциированного члена Евроатома», - отметил Гаркуша.
По его словам, европейские исследования в области УТС проводятся в рамках консорциума EuroFusion, который состоит из 29 лабораторий. Для участия в этих проектах в этом году Украина создала исследовательский центр на базе Национального научного центра «Харьковский физико-технический институт», который объединил ученых Института ядерных исследований Национальной академии наук Украины, Харьковского национального университета имени Каразина, университетов «Львовская политехника» и «Харьковского политехнического института», Института теоретической физики и других учреждений страны.
Ассоциированное членство дает украинским ученым возможность работать на лучших установках и реакторах, которые есть в Европе и получать доступ к базам данных, которые были наработаны в результате многочисленных экспериментов, а также получать новое оборудование и финансирование для проведения работ в Украине.
«Украина ведет собственную программу исследований в области физики плазмы и УТС. При этом Евроатом помогает финансировать нам эти исследования на 55%», - сообщил Гаркуша, добавив, что общий размер финансирований украинских исследований на 2017-2018 года составляет 600 тыс. долл.
Наши ученые, отметил Гаркуша, получили возможность участвовать в этих проектах на конкурсной основе.
«Каждый исследователь может предложить определенный проект для решения определенной проблемы и общего выполнения в Европе. Кстати, Институт ядерных исследований предложил три таких проекта, и все три были одобрены… Дорожная карта общей европейской программы имеет 33 рабочих пакета. Мы подали предложения и уже участвуем в шести из 33 проектов» – сообщил Гаркуша, добавив, что украинцы принимают активное участие в работах на действующих термоядерных реакторах и изучают взаимодействие плазмы с поверхностями различных материалов.
Также Евроатом поддержал программы экспериментов на украинских установках, которые расположены в Харькове на базе научного центра «Харьковского физико-технического института», а именно – на стеллараторе (в переводе с латыни – «звездный тор», тип термоядерного реактора) У-2М и плазменных ускорителях. Эти исследования, как убеждены ученые, даст возможность модернизировать эти установки.
«В Харькове есть два стелларатора, и некоторые работы могут быть проведены на них. Например, некоторые эксперименты дешевле сделать у нас, потому что мы имеем более простые машины, но уже сегодня на этих машинах мы получаем температуру 10 миллионов градусов», - отметил Гаркуша, добавив, что на ускорителях плазмы украинские физики могут разогнать сгусток плазмы до скорости 100 км в секунду для того, чтобы бомбардировать этим сгустком определенный материал, например, тот, из которого будут состоять стенки термоядерного реактора.
Это далеко не все, на что способна украинская наука. Как отмечает Гаркуша, наши физики также могут моделировать сложнейшие процессы, которые происходят в плазме, и, таким образом, мы помогаем европейским коллегам в деле изучения особенностей и промышленного использования энергии термоядерного синтеза.

Шаги в будущее

Как уже отмечалось, в этом году Украина присоединилась к программам ЕС. Но кроме европейцев, работу над получением управляемой термоядерной реакции, которая станет надежным источником энергии, сегодня ведут многие другие страны мира, например, США, Китай, Япония, Россия.
По словам директора Института плазмы, в мире уже работают небольшие реакторы (по 15-17 МВт мощности), в которых системы нагрева поддерживают плазму в ее горячем состоянии, где и проходит термоядерная реакция.
«Условия термоядерной реакции уже достигнуты. Системы нагрева нагревают плазму и запускают реакцию. Далее реакция уже должна греть сама себя, но к этому этапу пока еще не пришли», - отмечает украинский ученый.
В настоящее время возле города Карадаш во Франции строится современный термоядерный реактор ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor – Международный термоядерный экспериментальный реактор), на котором ученые и инженеры хотят получить в 2025 году первую самоподдерживающуюся термоядерную реакцию изотопов водорода - дейтерия и трития. Стоимость данного реактора – 13,3 млрд евро.
По информации консорциума EuroFusion, ITER – это научная машина, которая необходима для того, чтобы отработать технологию УТС. Ее физический пуск запланирован на 2025 год, при этом 45% этого проекта финансирует Евроатом, остальное – это США, Россия, Китай, Индия, Япония и Южная Корея.
В 2015 году Германия завершила создание мощного стелларатора - Weldelstein 7-X, который расположен в городе Грайфсвальд в Институте физики плазмы имени Макса Планка. Ученые уже при первом эксперименте достигли температуры 100 млн градусов, что в 10 раз больше чем на Солнце.
Согласно дорожным картам развития исследований в области УТС, после достижения стационарной термоядерной реакции и изучения условий ее проведения, каждая страна, будет создавать свой demo-реактор – прототип коммерческого реактора для будущей электростанции.
«После ITER каждая страна будет делать свой demo-реактор, который уже будет давать энергию в сеть и тогда уже не будет такого общего научного сотрудничества… На сегодня Китай начал разработку своего demo-реактора, поскольку эта страна нуждается в этой энергии», - прокомментировал эту «гонку вооружений» Гаркуша.
Например, Китай планирует в 2021 году запустить собственный ITER с самоподдерживающейся реакцией, в 2030 году Поднебесная планирует создать demo-реактор и приблизительно в 2050 году – первую электростанцию мощностью в 1 тысячу мегаватт.
Согласно планам Евросоюза (программы EuroFusion), планируется до 2030 года активная эксплуатация ITER, а до 2050 года – создание прототипа коммерческого реактора. Ученые прогнозируют, что после 2050 года будет разработан и запущен в эксплуатацию реактор, который сможет выдавать электроэнергию в сеть.

Контролируемый синтез

Знакомясь с этими амбициозными научными проектами, невольно возникает вопрос: почему ведущие страны мира задействуют такие громадные финансовые и научно-технические ресурсы для получения контролируемой термоядерной реакции?
Почему это важно и в чем сложность задачи? Эта необычность заключается в том, что для осуществления данной реакции нужно создать такое состояние вещества, которого нет на нашей планете, а именно - плазму, а также достичь условий, когда реакции внутри нее будут себя питать энергией, а избыток энергии будут преобразованы в электричество.
Еще в прошлом веке физики пришли к выводу, что человечество может осуществлять управляемые ядерные реакции, за счет которых можно получать огромное количество энергии, не сравнимое со сжиганием традиционного углеводородного топлива. Таким образом, были созданы атомная бомба, а затем – первые атомные реакторы и атомные электростанции.
В основе этих открытий был принцип использования реакции распада крупного атома (урана) на более мелкие с последующим выделением энергии (тепла). В ходе дальнейших исследований, потребность в которых была, в первую очередь, вызвана желанием создать бомбу, которая была бы мощнее атомной, ученые пришли к выводу, что гораздо большие объемы энергии можно получить путем синтеза из маленьких атомов, например, изотопов водорода – более крупных атомов (например, гелия).
Для проведения такой реакции необходимо заставить изотопы водорода двигаться настолько быстро, чтобы они смогли преодолеть силы, которые их отталкивают друг от друга; также необходимо, чтобы среда, в которой находятся изотопы, имела высокую плотность, чтобы атомы водорода заставить сблизиться, и высокую температуру, что увеличивает скорость их движения. Выполнение этих трех критериев является условием для запуска такой реакции.
Как выяснилось, все эти условия нельзя выполнить, проводя эту реакцию у лабораторного стола. Более того, термоядерный синтез невозможно провести ни в одной среде, которая до того использовалась человечеством, ведь температура для такого синтеза превышает 10 миллионов градусов Цельсия. Отсюда и появилось название – термоядерный синтез.
Именно плазма, как новое, четвертое состояние вещества (в отличии от твердого тела, жидкости и газа) и стала средой для такой реакции. Из учебников по физике легко узнать, что плазма – это газ, который состоит из заряженных ионов, которые нагреты до предельно высоких температур. Именно из плазмы состоят звезды, в том числе Солнце, которое светит миллиарды лет благодаря происходящим термоядерным реакциям.
«Что такое нефть, газ или уголь? Это энергия Солнца, которая была захвачена тысячи лет назад, и мы ее используем… Но мы можем сделать маленькое Солнце у нас, и с него брать энергию столько, сколько нам нужно. И тогда нам будут не нужны солнечные электростанции, нефть или газ», - отмечает Гаркуша.
В ходе такого синтеза выделяется много энергии, которая достаточна для поддержания условий новой термоядерной реакции, и которую можно преобразовать в источник генерации электричества.
Гаркуша напомнил, что первая термоядерная реакция уже была осуществлена на Земле, но не в мирных целях: «В качестве оружия термоядерная реакция уже использовалась – это водородная бомба академика Сахарова. Это самое мощное оружие на сегодня. Но такая энергия нам не нужна», - говорит он.
В настоящее время для изучения условий и проведения УТС в мире используются два типа реакторов – с магнитным или инерционным удержанием плазмы.
Дело в том, что среда для осуществления реакции плазма (ионизированный газ, который нагрет до температуры в несколько десятков градусов Цельсия) не должна касаться стенок реактора, поскольку ни один материал не выдержит таких температур.
Поэтому плазму необходимо удерживать в вакууме, в пространстве, которое не соприкасается с материальным барьером. Для решения этой проблемы – удержания и сдавливания плазмы в определенном объеме – физики предложили использовать очень мощное магнитное поле, волны которого смогут удерживать заряженный газ и не допустить его соприкосновения со стенкой реактора. Для этого было предложено два пути: первый – удержание плазмы в стационарном положении с помощью постоянно действующего магнитного поля (магнитное удержание), создаваемого магнитными катушками, и второй – мгновенное инерционное сжатие плазмы до нужного объема и давления направленными лучами лазера или пучков ионов (инерционное удержание).
В странах Евросоюза активно изучают и используют метод магнитного удержания плазмы. В этом случае работающие реакторы имеют форму круга или близкую к нему.
Одной из перспективных для получения электроэнергии реакций, которая уже успешно осуществляется на исследовательских реакторах, является термоядерный синтез изотопов водорода (дейтерия и трития) с получением в качестве продукта реакции ядра гелия и одного нейтрона.
«В каждой капле воды, хоть в луже, хоть в океане, на каждые 6 тысяч атомов водорода есть один атом дейтерия… Тритий нужно нарабатывать. Это очень дорогое топливо», - отметил Гаркуша, добавив, что методы получения дейтерия уже хорошо изучены и внедрены, тогда как для получения трития на одном из самых современных реакторов ITER будет использована ядерная реакция с участием лития. Таким образом, сырье для реакции будет производится прямо на самом реакторе.

Без риска нового Чернобыля

Несмотря на очевидные технические трудности, человечество располагает колоссальными запасами сырья для термоядерного синтеза. Ученые также убеждены, что на этих реакторах не может быть взрыва, потому как, если плазма выходит из-под контроля и попадает на стенки, она теряет свою энергию и «затухает».
«Взрыва быть не может… если произойдет авария и плазма попадет на стенку реактора, - тогда произойдет моментальное испарение стенки (тугоплавкого вольфрама). Вольфрам испарится, и пар вольфрама будет защищать следующие слои вольфрама. Вольфрам настолько тяжелый элемент, что он быстро поглощает много энергии и охлаждает плазму», - рассказывает Гаркуша.
Когда в средине реактора плазма с дейтерием и тритием будет разогрета до температуры 10-100 млн градусов Цельсия и сжата до необходимого давления, одинаково заряженные изотопы начнут взаимодействовать и образовывать более крупный атом гелия с выделением нейтрона. Энергия атомов гелия будет идти на дальнейшее поддержание температуры в плазме (постоянный ее нагрев для того, чтобы реакция не прекращалась), а нейтрон будет покидать зону реакции и выносить с собой огромное количество энергии. Этот нейтрон будет отдавать эту энергию стенкам реактора, которые будут нагреваться, а их тепло будет преобразовано уже в электроэнергию, так как это происходит на тепловых или атомных электростанциях. Введу сложности создания условий реакции, контроля и удержания плазмы и получения энергии, схему этой реакции, в полном объеме с получением электроэнергии, ученым пока еще реализовать не удалось. Но мир стоит на пороге этого ключевого в развитии цивилизации события.
Несмотря на все технические, финансовые и организационные проблемы человечество шаг за шагом приближается к цели покорения нового для нас вида энергии.
На фоне сокращающихся запасов нефти и газа, умные и стратегически мыслящие нации думают об энергообеспечении своих экономик во второй половине ХХІ века. Стоит нефти и газу вырасти в цене и исследования в области термоядерного синтеза неизбежно обретут еще большую актуальность. Поэтому очень важно, чтобы пока еще энергодефицитная Украина с ее значительной научной школой уже сегодня была вовлечена в эти работы по укрощению маленького солнца.

Читайте также

Главное в энергетике за 6 – 10 июля 2020 – обзор Энергореформы

Минэнерго избрало поставщика последней надежды на рынке газа для населения. "Донбассэнерго" перешло на сжигание импортного антрацита из-за приостановки газоснабжения. Обьявлен конкурс по отбору членов НКРЭКУ. Приоритет по закупке угля "Центрэнерго" должно отдавать госшахтам – Минэнерго, подробнее о главных новостях энергетики читайте в обзоре Энергореформы.

Как Украина может использовать опыт Германии в стимулировании развития ВИЭ? (мнение)

Ассоциация солнечной энергетики Украины исследовала, каким образом Германии удалось прийти к 49 ГВт построенных солнечных станций (по состоянию на 1.01.2020 года), а также проанализировала результаты применения "зеленого" тарифа в Германии и сравнила его с тарифом для СЭС в Украине (укр.).

Вице-президент "Энергоатома": Украине нельзя отказываться от атомной энергетики как минимум на ближайшие десятилетия (интервью)

Отказываться от атомной энергетики Украины абсолютно нецелесообразно, как минимум - на ближайшие десятилетия. Это одна из немногих высокотехнологичных и наукоемких отраслей страны, в которой работают очень хорошо подготовленные специалисты. И она жива, – рассказал в эксклюзивном интервью вице-президент НАЭК "Энергоатом" по развитию Герман Галущенко агентству "Интерфакс-Украина".

Авторизация



Создать аккаунт


Авторизация

Возникла ошибка авторизации!
Извините, возникла ошибка авторизации. Пожалуйста, попробуйте еще раз (в окне социальной сети вам необходимо подтвердить авторизацию), или попробуйте авторизоваться через другую социальную сеть.

Пожалуйста проверьте свою почту
и перейдите по ссылке,
чтобы завершить свою регистрацию
на сайте.

Комментарий отправлен на модерацию