Лазерный термоядерный синтез

В ближайшие несколько лет ситуация в этой области может сильно измениться.

В последнее время ученые вели исследования одновременно по нескольким направлениям, и спустя несколько десятков лет сплошных неудач наконец настал радостный момент. Физики убеждены, что термояд вот-вот будет покорен. Во Франции с участием многих европейских стран, России, США и Японии строится Международный термоядерный экспериментальный реактор (ITER). В США тоже имеется экспериментальный реактор — National Ignition Facility (NIF).

Мне выпала возможность увидеть аппарат лазерного синтеза NIF собственными глазами, и это грандиозное зрелище. Поскольку термоядерный синтез состоит в близком родстве с водородной бомбой, реактор NIF базируется в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса, где военные разрабатывают водородные боеголовки. Чтобы попасть туда, мне пришлось пройти через многоуровневую систему охраны.

Сам реактор, когда я наконец до него добрался, произвел на меня потрясающее впечатление. Я привык видеть лазеры в университетских лабораториях (более того, непосредственно под моим кабинетом в Городском университете Нью-Йорка располагается одна из крупнейших лазерных лабораторий в штате Нью-Йорк), но NIF меня ошеломил. Сам реактор занимает десятиэтажное здание размером с три футбольных поля, где 192 гигантских лазера направляют свои лучи в длинный туннель. Это крупнейшая лазерная системав мире, по мощности она превосходит предыдущую в 60 раз.

Пройдя по длинному туннелю, лазерные лучи попадают на систему зеркал, которые фокусируют их все на крошечной, размером с булавочную головку, мишени из дейтерия и трития (два тяжелых изотопа водорода). Невероятно, но лазерные лучи суммарной мощностью 500 трлн ватт сходятся на крошечном шарике, едва видимом невооруженным глазом, и поджаривают его до температуры в 100 млн градусов (намного горячее, чем в центре Солнца). За краткий миг в этом колоссальном импульсе выделяется энергия, которую выработали бы за этот промежуток времени полмиллиона атомных энергоблоков. Поверхность микроскопического шарика быстро испаряется, и ударная волна от этого микровзрыва сжимает шарик и запускает реакцию синтеза.

Строительство NIF завершилось в 2009 г., и в настоящий момент реактор проходит испытания. Если все получится, он может стать первым аппаратом термоядерного синтеза, которому удастся выдать не меньше энергии, чем тратится на его работу. Эта машина не предназначена для производства электроэнергии, она должна лишь продемонстрировать, что лазерные лучи можно сфокусировать так, чтобы нагреть богатую водородом мишень, запустить термоядерную реакцию и получить в конечном итоге больше энергии, чем затрачено.

Я побеседовал с одним из директоров лаборатории NIF Эдвардом Мозесом (Edward Moses) о надеждах и мечтах, связанных с его детищем. Директор был в каске и походил скорее на строительного рабочего, чем на видного физика-ядерщика, заведующего крупнейшей лазерной лабораторией в мире. Он признался мне, что в прошлом было немало неудачных проектов, но уверен, что этот проект реален: он и его команда вот-вот получат результат, который станет важным достижением в науке и войдет во все учебники истории. Они первые обуздают звездную энергию на Земле в мирных целях. Разговаривая с Мозесом, понимаешь, что такие проекты, как NIF, держатся на энтузиазме и энергии ученых. Он сказал мне, что заранее предвкушает день, когда сможет пригласить президента Соединенных Штатов в свою лабораторию и объявить о новом историческом свершении.

Однако с самого начала проект NIF сопровождают неудачи. Иногда происходят и вовсе странные вещи: так, в 1999 г. заместитель руководителя NIF Майкл Кэмпбелл (Е. Michael Campbell) вынужден был уйти в отставку, поскольку приписал себе степень доктора философии в Принстоне, которой в действительности не имел. Затем начали переносить срок завершения строительства, первоначально назначенный на 2003 г. Стоимость проекта подскочила с 1 до 4 млрд долларов. Наконец в марте 2009 г., с шестилетним опозданием, объект был сдан.

Говорят, что дьявол — в мелочах. В лазерном синтезе, к примеру, все 192 лазерных луча должны упасть на поверхность крошечного шарика с величайшей точностью, только тогда испарение произойдет равномерно и шарик «схлопнется». Все лучи должны достичь мишени в крошечном интервале времени длительностью 30 триллионных долей секунды. Малейший сбой в настройке лазеров или малейшая неровность самого шарика-мишени — и все, симметрия будет нарушена и мишень взорвется наружу, в одном направлении, ане сферически вовнутрь.

Если шарик-мишень отклоняется от сферической формы более чем на 50 нм (или примерно на 150 атомов), он тоже не сможет взорваться правильно. Так что основная проблема лазерного синтеза — обеспечить точное согласование лазерных лучей и правильную форму мишени.

Европейский союз ведет работы по собственной версии лазерного синтеза. Для испытаний будет построена лаборатория High Power Laser Energy Research Facility (HiPER); предполагается, что европейский реактор будет меньше, но несколько эффективнее NIF. Строительство HiPER предполагалось начать в 2011 г.

В настоящее время надежды ученых сосредоточены на американском проекте NIF. Однако если с лазерным синтезом ничего не получится, останется еще один, даже более продвинутый вариант управляемой термоядерной реакции: солнце в бутылке.

ITER— синтез в магнитном поле

Во Франции испытывается термоядерный реактор другой конструкции. В Международном термоядерном экспериментальном реакторе (ITER) для удержания горячего водорода используются чрезвычайно мощные магнитные поля. Вместо того чтобы пытаться лазером мгновенно сжать крохотную мишень из богатого водородом вещества, ITER медленно сжимает газообразный водород при помощи магнитного поля. Внешне реактор очень напоминает гигантский пустотелый стальной бублик, дырку которого со всех сторон окружают витки магнитной катушки. Магнитное поле удерживает газообразный водород внутри бубликообразной камеры. Затем газ нагревают, пропуская через него электрический ток. Одновременное пропускание через газ электрического тока и сжатие его при помощи магнитного поля разогревает водород до температуры во много миллионов градусов.

Идея термоядерного синтеза в «магнитной бутылке» не нова, она зародилась еще в 1950-е гг[29].Но почему реальное применение этой технологии стало возможно только сейчас? Почему до сих пор не создано коммерческих термоядерных реакторов по этому принципу?

Проблема в том, что магнитное поле требует чрезвычайно точной и тонкой настройки, иначе опять-таки не удастся достичь ровного сжатия газа — он вырвется из магнитной ловушки или будет неравномерным по плотности. Представьте, что вы пытаетесь сжать в руках надутый воздушный шарик. Вы увидите, что шарик все время норовит вспучиться у вас между руками и что сжать его равномерно практически невозможно. Основная проблема здесь — нестабильность — относится к области скорее техники, чем физики.

Вообще, проблемы с термоядерным синтезом сперва выглядят странно — ведь звезды легко сжимают водород, об этом ясно свидетельствуют триллионы звезд нашей Вселенной. Кажется, что природа зажигает звезды в небесах без всяких усилий, так почему мы не можем сделать это на Земле? Ответ заключается в простой и понятной, но притом фундаментальной разнице между гравитацией и электромагнетизмом.

Гравитация, как показал Ньютон, только притягивает. Поэтому в звезде водород под действием этой силы равномерно сжимается и принимает форму сферы. (Именно поэтому мы видим вокруг только круглые звезды и планеты, а не кубические и не пирамидальные.) А вот электрический заряд бывает двух типов: положительный и отрицательный. Если собрать в кучку отрицательные заряды, они оттолкнутся друг от друга и разлетятся в разные стороны. Но если свести вместе положительный и отрицательный заряды, получим так называемый «диполь», электрическое поле которого имеет сложную форму, а рисунок силовых линий напоминает паутину. Магнитные поля тоже имеют дипольную структуру; поэтому равномерно сжимать горячий газ — чрезвычайно сложная задача. Строго говоря, только суперкомпьютер способен построить карту магнитного и электрического полей, возникающих вокруг какой-нибудь несложной конфигурации электронов.

Суть вот в чем. Гравитация работает только на притяжение и может сжать газ в сферу очень равномерно. Поэтому звезды возникают сами по себе. Но электромагнетизм может работать как на притяжение, так и на отталкивание, поэтому газы при сжатии выпучиваются и образуют сложные конфигурации, делая управляемый ядерный синтез необычайно сложной задачей. Именно эта фундаментальная проблема полвека сдерживала ученых.

Но теперь ситуация изменилась. Физики утверждают, что в проекте ITER решена проблема стабильности при магнитном удержании плазмы.

ITER— один из крупнейших международных научных проектов в истории человечества. Сердце машины — металлическая камера в форме бублика весом в 23 000 т (т. е. намного тяжелее Эйфелевой башни, которая весит всего 7300 т).

Детали устройства настолько тяжелы, что для их перевозки пришлось специально усиливать некоторые дороги. К месту строительства части реактора, самая тяжелая из которых весит 900 т, а самая высокая достигает высоты четырехэтажного дома, будет доставлять колонна специальных транспортных машин. Девятнадцатиэтажное здание ITER будет стоять на гигантской платформе размером с 60 футбольных полей. Проектная стоимость реактора составляет 10 млрд евро, а финансирование возьмут на себя семь государств-участников (Европейский союз, США, Китай, Индия, Япония, Корея и Россия).

Когда реактор будет наконец запущен, он будет нагревать водородную плазму до температуры в 150 млн градусов, что намного превосходит 15 млн градусов в центре Солнца. Если все пойдет хорошо, он будет вырабатывать 500 МВт, т. е. в 10 раз больше, чем потреблять. (Нынешний рекорд для термоядерной энергии — 16 МВт, которые генерирует европейский реактор Joint European Torus в Калэмском научном центре в графстве Оксфордшир, Великобритания). После некоторых задержек выход ITER «в нуль» по балансу мощности назначен на 2019 г.

ITER,как и остальные действующие и строящиеся термоядерные реакторы, — все еще научный проект. Он не предназначен для выработки электроэнергии. Однако физики уже сегодня готовят базу для следующего шага — коммерческого производства термоядерной энергии. Фаррох Наджмабади, руководитель рабочей группы по анализу различных проектов термоядерных электростанций, предлагает проект ARIES-AT — токамак размером меньше европейского ITER, который, по расчетам, должен производить 1 ГВт по цене около 5 центов за киловатт-час, что сделает его конкурентоспособным по отношению к электростанциям на ископаемом топливе. Но даже Наджмабади, большой оптимист во всем, что связано с термоядерным синтезом, признает, что всерьез выйти на рынок термоядерная энергия сможет не раньше середины века.

Еще один коммерческий проект — термоядерный реактор DEMO. Если ITER, по проекту, должен будет производить 500 МВт в течение не менее 500 с., то DEMO проектируется так, чтобы генерировать энергию непрерывно. Кроме того, в DEMO должен присутствовать один дополнительный элемент, которого нет в ITER. Дело в том, что при слиянии двух ядер водородавозникает лишний нейтрон, который затем быстро вылетает из камеры реактора. Но можно окружить камеру специальным покрытием, известным как бланкет, предназначенным исключительно для того, чтобы поглотить энергию этого нейтрона. Поглощая нейтроны, бланкет нагревается. Вода в трубах, проходящих внутри его, нагревается и закипает. Образовавшийся пар направляют в турбину, которая, в свою очередь, вращает электрогенератор.

Если все пойдет как надо, реактор DEMO будет запущен в 2033 г. Планируется, что по размерам он будет на 15 % крупнее ITER, а энергии будет вырабатывать в 25 раз больше, чем потреблять. По проекту DEMO будет производить 2 ГВт энергии, что сделает его сравнимым с традиционными электростанциями. Если проект DEMO будет реализован успешно, начнется стремительное внедрение отработанной технологии.

Однако пока неясностей хватает. Проблема финансирования строительства ITER уже решена, но DEMO находится еще на стадии планирования, а значит, задержки неизбежны.

Специалисты по термоядерному синтезу уверены, что решающие ступени на пути к управляемому термояду уже пройдены. После десятков лет неоправданного оптимизма и неудач они различают впереди контуры будущих промышленных реакторов. В настоящий момент имеется не одна, а целых две разные конструкции (NIF и ITER), которые могут со временем принести энергию ядерного синтеза в каждый дом. Но пока ни тот ни другой проекты не доведены до уровня экономической целесообразности, остается место для самых разных неожиданностей, таких как холодный синтез или пузырьковый синтез.

Дата добавления: 2015-08-13