Мир находится в состоянии энергетического вызова

«Энергетический вызов» возник в результате сочетания трех следующих факторов:

1. Человечество сейчас потребляет огромное количество энергии.

В настоящее время потребление энергии в мире составляет около 15,7 тераватт (ТВт). Разделив эту величину на население планеты, мы получим примерно 2400 ватт на человека, что можно легко оценить и представить. Потребляемая каждым жителем Земли (включая детей) энергия соответствует круглосуточной работе 24 стоваттных электрических ламп. Однако потребление этой энергии по планете является очень неравномерным, так как оно очень велико в нескольких странах и ничтожно в других. Потребление (в пересчете на одного человека) равно 10,3 кВт в США (одно из рекордных значений), 6,3 кВт в Российской Федерации, 5,1 кВт в Великобритании и т. д., но, с другой стороны, оно равно лишь 0,21 кВт в Бангладеше (всего 2% от уровня энергопотребления в США!).

Ядерный синтез

Еще одним важным направлением развития является использование ядерного синтеза (слияния ядер), которое выступает сейчас в качестве основной надежды на спасения, хотя перспективы успеха в его использовании пока остаются неопределенными

Ядерный синтез, являющийся основой существования Солнца и звезд, потенциально представляет собой неистощимый источник энергии для развития Вселенной вообще. Эксперименты, проводимые в Великобритании в рамках программы Joint European Torus (JET), являющейся одной из ведущих исследовательских программ в мире, показывают, что ядерный синтез может обеспечить не только текущие энергетические потребности человечества (16 ТВт), но и гораздо большее количество энергии.

Что такое ядерный синтез?

Процессами ядерного синтеза мы называем реакции слияния легких атомных ядер в более тяжелые с выделением некоторого количества энергии. Прежде всего, среди них следует отметить реакцию между двумя изотопами (дейтерий и тритий) весьма распространенного на Земле водорода, в результате которой образуется гелий и выделяется нейтрон.

Для инициирования (зажигания) реакции синтеза (1) необходимо нагреть газ из смеси дейтерия и трития до температуры выше 100 миллионов градусов Цельсия (ниже мы будем миллионов градусов Цельсия обозначать через M°C), что примерно в десять раз выше температуры в центре Солнца. Уже при температуре несколько тысяч градусов межатомные столкновения приводят к выбиванию электронов из атомов, в результате чего формируется смесь из разделенных атомов и электронов, известная под названием плазмы, в которой положительно заряженные и высокоскоростные дейтроны и тритоны (то есть ядра дейтерия и трития) испытывают сильное взаимное отталкивание.

Тем не менее высокая температура (и связанная с этим высокая скорость) заставляют эти ядра сталкиваться друг с другом. При температуре выше 100 M°C наиболее «энергетические» дейтроны и тритоны сближаются при столкновениях на столь близкие расстояния, что между ними начинают действовать мощные ядерные силы, заставляющие их сливаться друг с другом в единое целое.

Осуществление этого процесса в лаборатории связано с тремя очень сложными проблемами. Прежде всего, газовую смесь ядер D и T следует нагреть до температур выше 100 M°C, каким-то образом предотвращая его охлаждение и загрязнение (из-за реакций со стенками сосуда). Для решения этой задачи были придуманы «магнитные бутылки», получившие название «Токамак», которые предотвращают взаимодействие плазмы со стенками реактора. В описываемом методе плазма нагревается электрическим током внутри тора примерно до 3 M°C, что, однако, оказывается еще недостаточным для инициирования реакции. Для дополнительного нагрева плазмы в нее либо «вкачивают» энергию радиочастотным излучением (как в микроволновой печке), либо облучают пучками заряженных или нейтральных частиц с высокой энергией, которые при столкновениях передают свою энергию плазме. Кроме того, выделение тепла происходит за счет собственно термоядерных реакций (как будет рассказно ниже), в результате чего в достаточно большой установке должно происходить «зажигание» плазмы.

В настоящее время во Франции начинается строительство описываемого ниже международного экспериментального термоядерного реактора ITER (International Tokamak Experimental Reactor), который будет первым токамаком, способным «зажечь» плазму.

В наиболее передовых существующих установках типа токамак давно достигнуты температуры порядка 150 M°C, близкие к значениям, требуемым для работы термоядерной станции, однако реактор ITER должен стать первой крупномасштабной энергетической установкой, рассчитанной на длительную эксплуатацию. В дальнейшем необходимо будет существенно улучшить параметры ее работы, что потребует, в первую очередь, повышения давления в плазме, так как скорость слияния ядер при заданной температуре пропорциональна квадрату давления. Основная научная проблема при этом связана с тем, что при повышении давления в плазме возникают очень сложные и опасные неустойчивости, то есть нестабильные режимы работы.

Возникающие при реакции синтеза электрически заряженные ядра гелия удерживаются внутри «магнитной бутылки», где постепенно тормозятся за счет столкновений с другими частицами, причем выделяющаяся при столкновениях энергия помогает поддерживать высокую температуру плазменного шнура. Нейтральные (не имеющие электрического заряда) нейтроны покидают систему и передают свою энергию стенкам реактора, а отбираемое от стен тепло и является источником энергии для работы турбин, вырабатывающих электричество. Проблемы и сложности эксплуатации такой установки связаны, прежде всего, с тем, что мощный поток высокоэнергетических нейтронов и выделяющаяся энергия (в виде электромагнитного излучения и частиц плазмы) серьезно воздействуют на реактор и разрушают материалы, из которых он создан. Вторая основная проблема состоит в обеспечении высокой прочности конструкционных материалов реактора при длительной (в течение нескольких лет) бомбардировке нейтронами и под воздействием потока тепла.

Из-за этих проблем конструкция термоядерных установок является очень сложной; третья и, возможно, самая главная проблема состоит в обеспечении высокой надежности их работы. Проектирование и постройка термоядерных станций требуют от физиков и инженеров решения целого ряда разнообразных и очень сложных технологических задач.

Термоядерные электростанции

На рисунке представлена принципиальная схема (без соблюдения масштаба) устройства и принципа работы термоядерной электростанции. В центральной части располагается тороидальная (в форме бублика) камера объемом ~2000 м3, заполненная тритий-дейтериевой (T–D) плазмой, нагретой до температуры выше 100 M°C. Образующиеся при реакции синтеза (1) нейтроны покидают «магнитную бутылку» и попадают в показанную на рисунке оболочку с толщиной около 1 м.

Внутри оболочки нейтроны сталкиваются с атомами лития, в результате чего происходит реакция с образованием трития:

нейтрон + литий → гелий + тритий

Кроме этого в системе происходят и конкурирующие реакции (без образования трития), а также много реакций с выделением дополнительных нейтронов, которые затем также приводят к образованию трития (при этом выделение дополнительных нейтронов может быть существенно усилено, например, за счет введения в оболочку атомов бериллия и свинца). Общий вывод состоит в том, что в этой установке может (по крайней мере, теоретически) происходить реакция ядерного синтеза, при которой будет образовываться тритий. При этом количество образующегося трития должно не только обеспечивать потребности самой установки, но и быть даже несколько большим, что позволит обеспечивать тритием и новые установки. Именно эта концепция работы должна быть проверена и реализована на описываемом ниже реакторе ITER.

Кроме этого нейтроны должны разогревать оболочку в так называемых пилотных установках (в которых будут использоваться относительно «обычные» конструкционные материалы) примерно до температуры 400°C. В дальнейшем предполагается создать усовершенствованные установки с температурой нагрева оболочки выше 1000°C, что может быть достигнуто за счет использования новейших высокопрочных материалов (типа композитов из карбида кремния). Выделяющееся в оболочке тепло, как и в обычных станциях, отбирается первичным охлаждающим контуром с теплоносителем (содержащим, например, воду или гелий) и передается на вторичный контур, где и производится водяной пар, подающийся на турбины.

Зачем нам это надо?

Основное преимущество ядерного синтеза состоит в том, что в качестве топлива для него требуется лишь очень небольшое количество весьма распространенных в природе веществ. Реакция ядерного синтеза в описываемых установках может приводить к выделению огромного количества энергии, в десять миллионов раз превышающего стандартное тепловыделение при обычных химических реакциях (типа сжигания ископаемого топлива). Для сравнения укажем, что количество угля, необходимого для обеспечения работы тепловой электростанции мощностью 1 гигаВатт (ГВт) составляет 10 000 тонн в день (десять железнодорожных вагонов), а термоядерная установка такой же мощности будет потреблять в день лишь около 1 килограмма смеси D+T.

Дейтерий является устойчивым изотопом водорода; примерно в одной из каждых 3350 молекул обычной воды один из атомов водорода замещен дейтерием (наследие, доставшееся нам от Большого Взрыва). Этот факт позволяет легко организовать достаточно дешевое получение необходимого количества дейтерия из воды. Более сложным является получение трития, который является нестабильным (период полураспада около 12 лет, вследствие чего его содержание в природе ничтожно), однако, как было показано выше, тритий будет возникать прямо внутри термоядерной установки в процессе работы, за счет реакции нейтронов с литием.

Таким образом, исходным топливом для термоядерного реактора являются литий и вода. Литий представляет собой обычный металл, широко используемый в бытовых приборах (в батарейках для мобильных телефонов и т. п.). Описанная выше установка, даже с учетом неидеальной эффективности, сможет производить 200 000 кВт/час электрической энергии, что эквивалентно энергии, содержащейся в 70 тоннах угля. Требуемое для этого количество лития содержится в одной батарейке для компьютера, а количество дейтерия — в 45 литрах воды. Указанная выше величина соответствует современному потреблению электроэнергии (в пересчете на одного человека) в странах ЕС за 30 лет. Сам факт, что столь ничтожное количество лития может обеспечить выработку такого количества электроэнергии (без выбросов CO2 и без малейшего загрязнения атмосферы), является достаточно серьезным аргументом для быстрейшего и энергичного развития термоядерной энергетики (несмотря на все сложности и проблемы) и даже без стопроцентой уверенности в успехе таких исследований.

Дейтерия должно хватить на миллионы лет, а запасы легко добываемого лития вполне достаточны для обеспечения потребностей в течение сотен лет. Даже если запасы лития в горных породах иссякнут, мы можем добывать его из воды, где он содержится в достаточно высокой концентрации (в 100 раз превосходящей концентрацию урана), чтобы его добыча была экономически целесообразной.

Термоядерная энергетика не только обещает человечеству, в принципе, возможность производства огромного количества энергии в будущем (без выбросов CO2 и без загрязнения атмосферы), но и обладает рядом других достоинств, перечисляемых ниже.

1. Высокая внутренняя безопасность.
Используемая в термоядерных установках плазма имеет очень низкую плотность (примерно в миллион раз ниже плотности атмосферы), вследствие чего рабочая среда установок никогда не будет содержать в себе энергии, достаточной для возникновения серьезных происшествий или аварий. Кроме того, загрузка «топливом» должна производиться непрерывно, что позволяет легко останавливать ее работу, не говоря уже о том, что в случае аварии и резкого изменения условий окружения термоядерное «пламя» должно просто погаснуть.

В чем состоят связанные с ядерной энергетикой опасности? Во-первых, стоит отметить, что хотя продукты синтеза (гелий и нейтроны) не являются радиоактивными, оболочка реактора при длительном нейтронном облучении может стать радиоактивной. Однако при подборе для оболочки материалов с заданными свойствами можно обеспечить распад радиоактивных продуктов с периодом полураспада порядка 10 лет, а полная замена всех компонент могла бы занять 100 лет. В случае полного отказа контура охлаждения радиоактивность стенок будет продолжать выделять тепло, но максимальная температура будет значительно ниже того значения, при котором установка расплавится.

Во-вторых, тритий является радиоактивным и имеет относительно небольшой период полураспада (12 лет). Но хотя объем используемой плазмы значителен, из-за ее низкой плотности там содержится лишь очень небольшое количество трития (общим весом примерно как десять почтовых марок). Поэтому, даже при самых тяжелых ситуациях и авариях (полное разрушение оболочки и выделение всего содержащегося в ней трития, например, при землетрясении и падении самолета на станцию), в окружающую среду поступит лишь незначительное количество топлива, что не потребует эвакуации населения из близлежащих населенных пунктов.

2. Стоимость энергии.
Ожидается, что так называемая «внутренняя» цена получаемой электроэнергии (стоимость самого производства) станет приемлемой, если будет составлять 75% от уже существующей на рынке цены. Эта проблема, однако, требует серьезного обсуждения. «Приемлемость» в данном случае означает, что цена будет ниже цены энергии, получаемой с использованием старых, углеводородных топлив. «Внешняя» цена (побочные эффекты, воздействие на здоровье населения, климат, экологию и т. п.) будет по существу равной нулю.

Почему создание термоядерных установок столь затянулось?

Почему же столь важные и ценные установки, преимущества которых обсуждаются почти полстолетия, еще не созданы? Существуют три основные причины (рассматриваемые ниже), первую из которых можно назвать внешней или общественной, а две остальные — внутренними, то есть обусловленными законами и условиями развития самой термоядерной энергетики.

1. Долгое время считалось, что проблема практического использования энергии термоядерного синтеза не требует срочных решений и действий, так как еще в 80-х годах прошлого столетия источники ископаемого топлива казались неистощимыми, а проблемы экологии и изменения климата не волновали общественность. В 1976 году Консультативный комитет по термоядерной энергии в Министерстве энергетики США попытался оценить сроки осуществления НИОКР и создания демонстрационной термоядерной энергетической установки при разных вариантах финансирования исследований. При этом обнаружилось, что объемы годичного финансирования исследований в данном направлении совершенно недостаточны, и при сохранении существующего уровня ассигнований создание термоядерных установок никогда не завершится успехом, поскольку выделяемые средства не соответствуют даже минимальному, критическому уровню.

2. Более серьезное препятствие на пути развития исследований в данной области состоит в том, что термоядерную установку обсуждаемого типа нельзя создать и продемонстрировать в малых размерах. Из представленных далее объяснений станет ясно, что для термоядерного синтеза необходимо не только магнитное удержание плазмы, но и достаточный ее нагрев. Отношение затрачиваемой и получаемой энергии возрастает, по меньшей мере, пропорционально квадрату линейных размеров установки, вследствие чего научно-технические возможности и преимущества термоядерных установок могут быть проверены и продемонстрированы лишь на достаточно крупных станциях, типа упоминавшегося реактора ITER. Общество просто не было готово к финансированию столь крупных проектов, пока не было достаточной уверенности в успехе.

3. Развитие термоядерной энергетики носило очень сложный характер, однако (несмотря на недостаточное финансирование и трудности выбора центров для создания установок JET и ITER) в последние годы наблюдается явный прогресс, хотя действующая станция еще не создана.

3. Развитие термоядерной энергетики носило очень сложный характер, однако (несмотря на недостаточное финансирование и трудности выбора центров для создания установок JET и ITER) в последние годы наблюдается явный прогресс, хотя действующая станция еще не создана.

Современный мир стоит перед очень серьезным энергетическим вызовом, который более точно можно назвать «неопределенным энергетическим кризисом». Проблема связана с тем, что запасы ископаемых горючих веществ могут иссякнуть уже во второй половине текущего столетия. Более того, сжигание ископаемых топлив может привести к необходимости каким-то образом связывать и «сохранять» выпускаемый в атмосферу углекислый газ (упомянутая выше программа CCS) для предотвращения серьезных изменений в климате планеты.

В настоящее время почти вся потребляемая человечеством энергия создается сжиганием ископаемых топлив, а решение проблемы может быть связано с использованием солнечной энергии или ядерной энергетики (созданием реакторов-размножителей на быстрых нейтронах и т. п.). Глобальная проблема, обусловленная ростом населения развивающихся стран и их потребностью в повышении уровня жизни и увеличении объема производимой энергии, не может быть решена только на основе рассматриваемых подходов, хотя, конечно, следует поощрять любые попытки развития альтернативных методов выработки энергии.

Собственно говоря, у нас небольшой выбор стратегий поведения и развитие термоядерной энергетики является исключительно важным, даже несмотря на отсутствие гарантии успеха. Газета Financial Times (от 25.01.2004) писала по этому поводу:

Будем надеяться на то, что никаких крупных и неожиданных сюрпризов на пути развития термоядерной энергетики не будет. В этом случае примерно через 30 лет мы сумеем впервые подать электрический ток от нее в энергетические сети, а еще через 10 с небольшим лет начнет работать первая коммерческая термоядерная электростанция. Возможно, что во второй половине нашего столетия энергия ядерного синтеза начнет заменять ископаемые топлива и постепенно станет играть всё более важную роль в обеспечении человечества энергией в глобальном масштабе.

Нет абсолютной гарантии, что задача создания термоядерной энергетики (в качестве эффективного и крупномасштабного источника энергии для всего человечества) завершится успешно, но вероятность удачи в этом направлении достаточно высока. Учитывая огромный потенциал термоядерных станций, можно считать оправданными все затраты на проекты их быстрого (и даже ускоренного) развития, тем более, что эти капиталовложения выглядят весьма скромными на фоне чудовищного по объему мирового энергетического рынка (4 триллиона долларов в год8). Обеспечение потребностей человечества в энергии является очень серьезной проблемой. По мере того, как ископаемое топливо становится всё менее доступным (помимо этого, его использование становится нежелательным), ситуация изменяется, и мы просто не можем позволить себе не развивать термоядерную энергетику.

На вопрос «Когда появится термоядерная энергетика?» Лев Арцимович (признанный пионер и лидер исследований в этой области) как-то ответил, что «она будет создана, когда станет действительно необходимой человечеству»

http://elementy.ru/lib/430807

Термоядерный реактор ITER

Экспериментальный термоядерный реактор (International thermonuclear experimental reactor) сооружается вблизи города Кадараш во Франции. Главная задача проекта ИТЭР - осуществление управляемой термоядерной реакции синтеза в промышленных масштабах.

На единицу веса термоядерного топлива получается примерно в 10 миллионов раз больше энергии, чем при сгорании такого же количества органического топлива, и примерно в сто раз больше, чем при расщеплении ядер урана в реакторах ныне действующих АЭС. Если расчеты ученых и конструкторов оправдаются, это даст человечеству неисчерпаемый источник энергии.
Поэтому ряд стран (Россия, Индия, Китай, Корея, Казахстан, США, Канада, Япония, страны Евросоюза) объединили свои усилия в создании Международного термоядерного исследовательского реактора – прообраза новых энергетических установок.
ИТЭР представляет из себя установку, создающую условия для синтеза атомов водорода и трития (изотопа водорода), в результате чего образуется новый атом – атом гелия. Этот процесс сопровождается громадным выплеском энергии: температура плазмы, в которой идет термоядерная реакция - около 150 млн градусов по Цельсию (для сравнения – температура ядра Солнца 40 млн градусов). При этом изотопы выгорают, практически не оставляя радиоактивных отходов.
Схема участия в международном проекте предусматривает поставки компонентов реактора и финансирование его строительства. В обмен на это каждая из стран-участниц получает полный доступ ко всем технологиям создания термоядерного реактора и к результатам всех экспериментальных работ на этом реакторе, которые послужат основой для проектирования серийных энергетических термоядерных реакторов.
Реактор, основанный на принципе термоядерного синтеза, не имеет радиоактивного излучения и полностью безопасен для окружающей среды. Он может быть расположен практически в любой точке земного шара, а топливом для него служит обычная вода. Строительство ITER должно продлиться около десяти лет, после чего реактор предполагается использовать в течение 20 лет.
Интересы России в Совете Международной организации по строительству термоядерного реактора ИТЭР в ближайшие годы будет представлять член-корреспондент РАН Михаил Ковальчук - директор РНЦ "Курчатовский институт", Института кристаллографии РАН и ученый секретарь президентского Совета по науке, технологиям и образованию. Ковальчук временно заменит на этом посту академика Евгения Велихова, который избран на ближайшие два года председателем международного совета ИТЭР и не имеет права совмещать эту должность с обязанностями официального представителя страны-участника.
Общая стоимость строительства оценивается в 5 миллиардов евро, еще столько же потребуется для опытной эксплуатации реактора. Доли Индии, Китая, Кореи, России, США и Японии составляют приблизительно по 10 процентов от общей стоимости, 45 процентов приходится на страны Европейского союза. Однако пока европейские государства не договорились, как именно расходы будут распределены между ними. Из-за этого начало строительства перенесено на апрель 2010 года. Несмотря на очередную отсрочку, ученые и чиновники, вовлеченные в создание ИТЭР, утверждают, что смогут завершить проект к 2018 году.
Расчетная термоядерная мощность ИТЭР составляет 500 мегаватт. Отдельные детали магнитов достигают веса от 200 до 450 тонн. Для охлаждения ИТЭР потребуется 33 тысячи кубометров воды в день.

С помощью левитирующего магнита ученые инициировали управляемую реакцию термоядерного синтеза.

Длительная совместная работа ученых из Массачуссетского технологического института и Колумбийского университета в области термоядерного синтеза значительно приблизила эру экологически чистой энергетики, основанной на термоядерном синтезе. После проведенного ряда фундаментальных исследований и инженерных расчетов была создана экспериментальная термоядерная установка, которая расположена в Центре изучения плазмы и термоядерного синтеза (Plasma Science and Fusion Center), находящемся на территории университетского городка Массачуссетского технологического института. Сердцем этой установки является постоянный магнит тороидальной формы, изготовленный из сверхпроводящих катушек весом полтонны, который плавает внутри установки под воздействием магнитного поля. Этот магнит окружен слоем высокотемпературной плазмы, разогретой до температуры в 10 миллионов градусов. Под влиянием магнитного поля в этой плазме начинают идти реакции термоядерного синтеза, которые являются безграничным источником энергии и могут стать основой для экологически чистой энергетики будущего

Проект Массачуссетского технологического института является уникальной альтернативой двум, применяемым в настоящее время, технологиям осуществления управляемой реакции термоядерного синтеза. Первой технологией является технология сжатия высокотемпературной плазмы с помощью сильного магнитного поля внутри тороидального объема термоядерного реактора типа Токмак. Второй технологией является технология разогрева термоядерного топлива с помощью мощного пучка лазерного света, в ходе нагрева достигается очень высокая температура, благодаря чему начинают идти реакции термоядерного синтеза. Но, к сожалению, ни одна из вышеперечисленных технологий так и не была доведена до уровня, позволяющего ее практическое использование в области энергетики.

В ходе эксперимента, называемого Levitated Dipole Experiment (LDX), вышеупомянутый магнит был заключен внутри отсека реактора. Благодаря его форме, магнитное поле этого магнита приняло форму, подобную форме магнитного поля планет. Движущаяся вокруг этого магнита высокотемпературная плазма под воздействием неравномерностей магнитного поля создала области случайной турбулентности, в которых плотность плазмы увеличивалась настолько, что начинали протекать реакции термоядерного синтеза. Изменяя силу тока, идущего через обмотки плавающего магнита, следовательно, регулируя силу магнитного поля, ученым удалось увеличить или замедлить скорость протекания термоядерной реакции.

Конечно, ученым еще предстоит большая работа, прежде чем речь пойдет о практическом применении этой технологии в области энергетики. Ведь в этой технологии были использованы достаточно нетрадиционные методики, реализация которых требует значительных усилий. Во-первых, это точность, с которой необходимо удерживать плавающий в пространстве магнит в условиях меняющегося магнитного поля и идущей вокруг него термоядерной реакции. Во-вторых, получение достаточно большого объема плазмы, разогретой до температуры в 10 миллионов градусов, является тоже весьма нетривиальной и трудной задачей.

Но, как бы то ни было, результаты эксперимента Levitated Dipole Experiment прямо указывают на то, что управляемые реакции термоядерного синтеза уже можно практически реализовать и, при некоторой доработке использованных технологий, использовать в качестве неисчерпаемого источника недорогой и экологически чистой энергии.

Ядерный синтез: пути к возобновляемым источникам энергии

Ядерный синтез – это природный источник энергии. Энергия, которая питает всю Вселенную, от нашего Солнца до самых дальних звезд, высвобождается в процессе соединения ядер водорода, которые образуют гелий. Ядерный синтез к 2030 году может стать важным источником электроэнергии. В данной статье проф. Кокс в легкой и простой форме рассматривает разные способы создания ядерного синтеза, которые сегодня активно исследуют ведущие ученые и лаборатории разных стран в надежде завтра получить дешевую и возобновляемую энергию.

Брайан Кокс (Brian Cox) – профессор физики в университете Манчестера («University of Manchester»: http://www.manchester.ac.uk/) и руководитель международной группы физики высоких энергий в ЦЕРНе («CERN»: http://public.web.cern.ch/public/ – Европейская организация по ядерным исследованиям, крупнейшая в мире лаборатория физики высоких энергий. Также иногда переводится как Европейский Центр ядерных исследований) не только известный и серьезный ученый, специализирующийся в вопросах физики элементарных частиц, но и превосходный популяризатор науки, любимый средствами массовой информации. Проф. Кокс получил множество наград за большие достижения в области популяризации науки, он известен как один из авторов и ведущих нескольких телевизионных программ, как частый лектор на радио, телевидении и на многих научных событиях, он хорошо известен своим участием во многих научно-популярных кино- и телефильмах. Его размышления (ну, разумеется, в доступном для нашего читателя виде) о, возможно, самом мощном и самом преспективном из так называемых «альтернативных» возобновляемых источников энергии мы приводим здесь.

Поскольку водород является самым распространенным элементом во Вселенной, резонно задаться вопросом: а нельзя ли и нам покончить с энергетическим кризисом, построив на Земле собственные звезды. Небольшая сложность заключается в том, что звезды, как правило, очень большие и очень горячие. К примеру, Солнце в миллион раз больше Земли и сжигает 600 миллионов тонн водорода в секунду.

Температура в его центре составляет 15 миллионов градусов, но даже этого едва достаточно, чтобы заставить реакцию синтеза еле теплиться. Несмотря на все эти трудности, в английском графстве Оксфордшир вот уже три десятилетия работает реактор ядерного синтеза Jet (Joint European Torus).

Плазма в реакторе Jet удерживается мощным электромагнитным полем

Jet регулярно нагревает «коктейль» из дейтерия и трития до температур, превышающих 100 миллионов градусов, и запускает ядерный синтез, скорость которого значительно выше, чем в самом центре Солнца. Правда, Jet слишком мал, чтобы производить сколько-нибудь значительные объемы элекроэнергии, однако он послужил прототипом для куда более крупного реактора Iter с большим коммерческим потенциалом, который сейчас строится на юге Франции.

Принцип, который применяется в реакторах Jet и Iter, заключается в нагреве газа до таких температур, при которых атомное ядро теряет электроны, образующие трудноуправляемый субатомный суп, именуемый плазмой. Плазма удерживается в мощном магнитном поле, так, чтобы она не соприкасалась со стенками реактора. Если дейтериево-тритиевую плазму достаточно долго удерживать при высокой температуре и под большим давлением, природа сама сделает все остальное. В результате реакции получится гелий и много чистой энергии.

В Соединенных Штатах применяется другой подход. Там ставка сделана на так называемый инерционный синтез, которым занимаются на лазерной термоядерной установке (NIF) в Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса и Z-Машине в Национальной лаборатории Сандиа в Калифорнии.

Специалисты NIF намерены запустить реакцию синтеза в 2010 году (Национальная лаборатория им. Лоуренса в Ливерморе, США)

Если Iter больше напоминает обыкновенную электростанцию, на которой целыми днями и даже неделями жгут топливо, инерционный синтез по принципу скорее напоминает двигатель внутреннего сгорания. NIF облучает крошечные капсулы дейтериево-тритиевого топлива лазером мощностью 500 триллионов ватт. Для сравнения, это в тысячу раз больше, чем потребляют все Соединенные Штаты. Этот гигантский, но очень кратковременный лазерный импульс приводит к взрыву топливных капсул, в результате чего на доли секунды рождается мини-звезда.

Z-Машина действует иначе: она пропускает через паутину тончайших проводов, окружающих топливную капсулу, заряд мощностью в полтриллиона ватт. Далее происходит примерно то же самое, что и с лазером: в результате Z-удара получается звезда. Если ученым удастся создать постоянный поток мини-звезд, строительство электростанции не составит проблемы. В ходе испытаний на Z-Машине уже удалось запустить реакцию синтеза, а специалисты NIF рассчитывают сделать это к 2010 году. После этого останется лишь отработать технологию, чтобы в массовом порядке строить экономичные и надежные электростанции.

Z-Машина пропускает через паутину проводов полтриллиона ватт (Национальная лаборатория Sandia, США)

Конечно, это совсем не просто, но, вне всяких сомнений, возможно. Правда, когда заходит разговор о синтезе, часто можно услышать одну и ту же реплику: «Эта технология, про которую всегда говорят: "дайте еще 30 лет», так зачем же вкладывать в нее средства?" На самом деле инженеры уже сейчас говорят о строительстве последнего поколения экспериментальных реакторов.

Если все пойдет по плану, то Iter и ему подобные реакторы смогут вырабатывать электроэнергию в промышленном масштабе в начале 2030-х годов. Такое долгосрочное и, быть может, окончательное решение энергетического кризиса в большой степени зависит от значительных инвестиций, желательно таких же, или еще больших, чем сейчас.

Именно проблему инвестиций нужно решать сейчас, а не завтра. В будущем энергия будет вырабатываться только путем синтеза. Иначе мы просто не сможем получать многие триллионы ватт, необходимые для комфортной жизни всех жителей нашей планеты. С этим никто и не спорит. Таким образом, корректно ставить вопрос не «если», а «когда», и тут разговор о 30 годах никого не устраивает.