Франция сегодня торопится построить Международный термоядерный экспериментальный реактор (ITER), который должен продемонстрировать, что ядерный синтез можно использовать для получения энергии на атомных электростанциях. ITER часто преподносят как долгосрочное решение проблемы глобального потепления, потому что ядерный синтез может предоставить нескончаемый и чистый источник энергии. Но ITER не предлагает ничего подобного.
Во время реакции деления, на которой основана работа атомных реакторов сегодня, тяжелые элементы, такие как уран, распадаются на более мелкие, тогда как во время ядерного синтеза легкие элементы, такие как водород, соединяются друг с другом, образуя более тяжелые элементы (гелий). Как при делении, так и при синтезе выделяется большое количество энергии.
Некоторые политические лидеры объясняют, что ядерный синтез имеет место на солнце, и что, благодаря ITER, мы сможем научиться использовать его. Они часто добавляют, что, поскольку для ядерного синтеза необходим водород, который содержится в морской воде, он является нескончаемым источником энергии.
К сожалению, политические лидеры плохо осведомлены о научной стороне этого вопроса. То что ядерный синтез является источником энергии было известно со времени изобретения водородной бомбы. Но управление этим процессом до сих пор представляет фундаментальную проблему для исследовательских институтов, а не небольшую техническую сложность, которую легко преодолеть.
Заключить маленькое солнце в ларец является чрезвычайно сложной задачей по трем основным причинам. Во-первых, ядерное топливо – это не морская вода, а смесь двух тяжелых изотопов водорода - дейтерия и трития – радиоактивного элемента, который производят в малых количествах для водородных бомб. Для работы реакторов термоядерного синтеза потребуется производство трития промышленными методами, которые еще надо изобрести.
Во-вторых, реакция синтеза дейтерия-трития начинается при приблизительно 100 миллионов градусах. Для этого необходимо использовать магнит для ускорения плазмы, представляющей большое пламя ядер дейтерия и трития. Это должно быть сделано в сверхвысоком вакууме в большой камере. ITER предназначен не для производства электричества, а для изучения стабильности пламени в магните. Поскольку при реакции слияния возникают альфа-частицы, которые загрязняют плазму, для ее очистки в пламя с температурой в 100 миллионов градусов необходимо поместить «отвод». Это еще никому не удавалось, но ITER может попытаться где-то к 2030 году, если конечно будет решена предыдущая проблема.
В-третьих, при синтезе также происходит выброс нейтронов, которые образуют в материале стенок пузырьки гелиевого газа, имеющие тенденцию взрываться. Сторонники ITER объясняют, что если стенки будут пористыми, пузырьки смогут вырваться наружу. Но ничто не может быть одновременно герметичным и пористым, и ITER не предназначен для изучения этого противоречия. В будущем между плазмой и стенками должна быть помещена прослойка, имеющая две цели: защиту внешних стенок и создание трития из ядерных реакций с вращающейся жидкостью, содержащей литий. Это может сработать, но первая стенка прослойки должна быть не только герметичной и пористой, но и достаточно проницаемой для нейтронов, которые должны столкнуться с атомами лития за ней.
Проблема материалов является отдельной областью исследований. Для проведения исследований в этой сфере было решено построить лабораторию для испытания материалов, используемых в реакторе термоядерного синтеза, (IFMIF) в Японии. Некоторые ученые утверждают, что иррадиация нейтронов в IFMIF будет отличаться от реакторов термоядерного синтеза, но надо отметить, что его стоимость в размере одного миллиарда евро, будет в десять раз меньше стоимости ITER.
Так почему же мы не можем дождаться результатов IFMIF прежде чем строить ITER? Все зависит от бюджета. Если бы ITER действительно мог решить энергетические проблемы планеты, десять миллиардов евро было бы незначительной инвестицией – меньше, чем годовой доход нефтяной компании TOTAL (€13 миллиардов в 2006г), и эквивалентной стоимости десяти дней войны в Ираке.
Но на то, чтобы ядерный синтез мог использоваться на промышленных электростанциях, потребуются десятки лет. Даже если ITER окажется успешным и если удастся решить проблемы трития и материалов, все должно быть испытано в реальном размере, и только после этого может быть построен первый прототип промышленного реактора. Резкое сокращение выбросов CO2 является срочной необходимостью, в то время как получить достаточно энергии путем ядерного синтеза для достижения этой цели будет невозможно до 22-го века.
Фактически, ITER является большим инструментом для фундаментальных исследований, так что ежегодные расходы на его содержание в размере 500 миллионов евро необходимо сравнивать с похожими научными инициативами, как, например, Европейская Организация Ядерных Исследований (CERN), которая обходится в один миллиард швейцарских франков в год. По моему мнению, исследования фундаментальной структуры частиц гораздо важнее изучения стабильности плазмы.
Во Франции размер вклада страны в ITER превышает все имеющиеся средства на научно-исследовательские проекты во всех наших физических лабораториях. Так что существует опасность, что ITER отвлечет средства от других важных исследований. У нас уже есть плохой пример Международной Космической Станции, на которую было потрачено 100 миллиардов долларов, но которая не принесла никаких научных результатов.
ITER не решит наших энергетических проблем. И хотя он представляет научный интерес для тех, кто работает в области физики плазмы, страны-участницы проекта должны недвусмысленно заявить, что его финансирование не повлияет на остальные исследования. В то же самое время, международное сообщество должно поддерживать исследования в области экономии и хранения энергии, а также ускорить разработку ядерных реакторов четвертого поколения, которые будут использовать реакцию деления, и будут как чистыми, так и надежными.
Франция сегодня торопится построить Международный термоядерный экспериментальный реактор (ITER), который должен продемонстрировать, что ядерный синтез можно использовать для получения энергии на атомных электростанциях. ITER часто преподносят как долгосрочное решение проблемы глобального потепления, потому что ядерный синтез может предоставить нескончаемый и чистый источник энергии. Но ITER не предлагает ничего подобного.
Во время реакции деления, на которой основана работа атомных реакторов сегодня, тяжелые элементы, такие как уран, распадаются на более мелкие, тогда как во время ядерного синтеза легкие элементы, такие как водород, соединяются друг с другом, образуя более тяжелые элементы (гелий). Как при делении, так и при синтезе выделяется большое количество энергии.
Некоторые политические лидеры объясняют, что ядерный синтез имеет место на солнце, и что, благодаря ITER, мы сможем научиться использовать его. Они часто добавляют, что, поскольку для ядерного синтеза необходим водород, который содержится в морской воде, он является нескончаемым источником энергии.
К сожалению, политические лидеры плохо осведомлены о научной стороне этого вопроса. То что ядерный синтез является источником энергии было известно со времени изобретения водородной бомбы. Но управление этим процессом до сих пор представляет фундаментальную проблему для исследовательских институтов, а не небольшую техническую сложность, которую легко преодолеть.
Заключить маленькое солнце в ларец является чрезвычайно сложной задачей по трем основным причинам. Во-первых, ядерное топливо – это не морская вода, а смесь двух тяжелых изотопов водорода - дейтерия и трития – радиоактивного элемента, который производят в малых количествах для водородных бомб. Для работы реакторов термоядерного синтеза потребуется производство трития промышленными методами, которые еще надо изобрести.
Во-вторых, реакция синтеза дейтерия-трития начинается при приблизительно 100 миллионов градусах. Для этого необходимо использовать магнит для ускорения плазмы, представляющей большое пламя ядер дейтерия и трития. Это должно быть сделано в сверхвысоком вакууме в большой камере. ITER предназначен не для производства электричества, а для изучения стабильности пламени в магните. Поскольку при реакции слияния возникают альфа-частицы, которые загрязняют плазму, для ее очистки в пламя с температурой в 100 миллионов градусов необходимо поместить «отвод». Это еще никому не удавалось, но ITER может попытаться где-то к 2030 году, если конечно будет решена предыдущая проблема.
BLACK FRIDAY SALE: Subscribe for as little as $34.99
Subscribe now to gain access to insights and analyses from the world’s leading thinkers – starting at just $34.99 for your first year.
Subscribe Now
В-третьих, при синтезе также происходит выброс нейтронов, которые образуют в материале стенок пузырьки гелиевого газа, имеющие тенденцию взрываться. Сторонники ITER объясняют, что если стенки будут пористыми, пузырьки смогут вырваться наружу. Но ничто не может быть одновременно герметичным и пористым, и ITER не предназначен для изучения этого противоречия. В будущем между плазмой и стенками должна быть помещена прослойка, имеющая две цели: защиту внешних стенок и создание трития из ядерных реакций с вращающейся жидкостью, содержащей литий. Это может сработать, но первая стенка прослойки должна быть не только герметичной и пористой, но и достаточно проницаемой для нейтронов, которые должны столкнуться с атомами лития за ней.
Проблема материалов является отдельной областью исследований. Для проведения исследований в этой сфере было решено построить лабораторию для испытания материалов, используемых в реакторе термоядерного синтеза, (IFMIF) в Японии. Некоторые ученые утверждают, что иррадиация нейтронов в IFMIF будет отличаться от реакторов термоядерного синтеза, но надо отметить, что его стоимость в размере одного миллиарда евро, будет в десять раз меньше стоимости ITER.
Так почему же мы не можем дождаться результатов IFMIF прежде чем строить ITER? Все зависит от бюджета. Если бы ITER действительно мог решить энергетические проблемы планеты, десять миллиардов евро было бы незначительной инвестицией – меньше, чем годовой доход нефтяной компании TOTAL (€13 миллиардов в 2006г), и эквивалентной стоимости десяти дней войны в Ираке.
Но на то, чтобы ядерный синтез мог использоваться на промышленных электростанциях, потребуются десятки лет. Даже если ITER окажется успешным и если удастся решить проблемы трития и материалов, все должно быть испытано в реальном размере, и только после этого может быть построен первый прототип промышленного реактора. Резкое сокращение выбросов CO2 является срочной необходимостью, в то время как получить достаточно энергии путем ядерного синтеза для достижения этой цели будет невозможно до 22-го века.
Фактически, ITER является большим инструментом для фундаментальных исследований, так что ежегодные расходы на его содержание в размере 500 миллионов евро необходимо сравнивать с похожими научными инициативами, как, например, Европейская Организация Ядерных Исследований (CERN), которая обходится в один миллиард швейцарских франков в год. По моему мнению, исследования фундаментальной структуры частиц гораздо важнее изучения стабильности плазмы.
Во Франции размер вклада страны в ITER превышает все имеющиеся средства на научно-исследовательские проекты во всех наших физических лабораториях. Так что существует опасность, что ITER отвлечет средства от других важных исследований. У нас уже есть плохой пример Международной Космической Станции, на которую было потрачено 100 миллиардов долларов, но которая не принесла никаких научных результатов.
ITER не решит наших энергетических проблем. И хотя он представляет научный интерес для тех, кто работает в области физики плазмы, страны-участницы проекта должны недвусмысленно заявить, что его финансирование не повлияет на остальные исследования. В то же самое время, международное сообщество должно поддерживать исследования в области экономии и хранения энергии, а также ускорить разработку ядерных реакторов четвертого поколения, которые будут использовать реакцию деления, и будут как чистыми, так и надежными.