Термоядрената енергия става реалност през 2050 г.

Реакторът на бъдещето – токамакът ITER.
© ITER Organization

Антония Михайлова
24 януари 2013 г. в 00:10 Последна промяна:
25 януари 2013 г. в 00:22

Европейската общност по развитие на термоядрената енергия (EFDA) публикува предполагаем план за прехода от първия експериментален термоядрен реактор към пълноценни електростанции. Според оценката на експертите това ще отнеме 30 години – термоядрената енергетика ще стане реалност през 2050 г.

Днес хората вече умеят да възпроизвеждат в земни условия термоядрените реакции, които протичат на Слънцето. Вярно, има два нюанса – реакцията или става по време на взрив на водородна бомба и протича след това напълно неуправляемо, или ако се опитаме да я пуснем в специални инсталации, отделяната енергия осе оказва значително по-малка от похарчената.

Запалването на термоядрена реакция така, че тя да оправдае разходите на енергия, без да остави на мястото на лабораторията радиоактивен кратер, се планира за 2020 година – на строящия се сега във Франция международен експериментален реактор ITER. Този научен мегапроект се финансира от редица страни – Европейския съюз, Китай, Япония, Корея, Индия, САЩ и Русия. Много физици напълно сериозно говорят за това, че параметрите на реактора може да направят реалност реакцията с отделяне на енергия в по-голям обем, отколкото се изисква за работата на самата инсталация.

Но това още не е електростанция. Необходимо е физиците да се научат да използват енергията, за което се планира строежът на инсталация с името DEMO – тя ще бъде нещо от рода на първите АЕЦ, които още не са могли да се конкурират с традиционните ТЕЦ-ове и ВЕЦ-ове, които вече отдавали мегавати енергия в мрежата.

Първоначално терминът ITER е образуван като абревиатура от International Thermonuclear Experimental Reactor, но сега наименованието на проекта официално се смята за производно на думата iter, което в превод от латински означава „път“. Път към достъпната, екологично чиста и евтина термоядрена енергетика.

На пръв поглед изглежда, че трудностите приключват с това да се омотае корпусът на реактора с тръби, да се пусне в тях вода, да се получи на изхода пара и да се постави турбина. В документа, представен от специалистите на EFDA, е посочена цяла редица подводни камъни. Дадени са и възможните срокове за решаването на проблемите. Ето най-очевидните.

Първи проблем – излъчването

Работещият термоядрен реактор представлява звезда в миниатюра, само че вместо топка в реакторите от дадения тип – токамак, в магнитно поле ще „виси” тор – геврек от нагрята до 150 милиона градуса плазма. Температурата тук не е толкова страшна, тъй като в работната камера плътността на веществото не е голяма, но радиацията е съвсем друга работа.

Провеждането на пълноценна термоядрена реакция и управлението на този процес са свързани с огромни трудности. Причината е, че за получаване на термоядрена енергия трябва да са изпълнени три условия – температура от стотици милиони градуси, възможност за задържане на нагорещената плазма и накрая – условия за продължително удържане на плазмата. Реакцията на термоядрения синтез след определено време започва да се поддържа сама.

Дори най-добрите стомани в интензивен поток неутрони и гама-кванти менят своята структура, металът губи здравина и в него може да се появят пукнатини. Ако реакторът на електростанцията трябва да се сменя след няколко седмици работа, то термоядрената енергетика ще се окаже икономически безсмислена загуба, а търсенето на рецепти за радиационно устойчиви стомани ще отнеме около 20 години – от началото на работата на ITER до построяването на DEMO през 2040 г.

Разбира се, рецептите за стомана подразбират не просто търсенето на съчетание на метали – „вземете толкова желязо, толкова въглерод, добавете молибден и щипка ванадий”. Тук може да бъдат включени особени условия за топене и обработка на повърхността, които да не се търсят сляпо, а с използването на фундаменталните знания за структурата на сплавите, за техните трансформации, кристален растеж и т.н.

Втори проблем – поведението на плазмата

Най-общо избраната за ITER схема на токамак изглежда просто – плазмата се свива в геврек и се загрява от високочестотен ток, например като в гигантска микровълнова фурна. Но устойчивостта и стабилността на въпросния геврек предизвиква редица въпроси. Предполага се, че ITER ще позволи на изследователите да се научат да управляват плазмата така, че да минимизират загубите.

„Това е едно от най-сложните съоръжения, които можем да си представим – казва Ричард Питс, ръководител на групата по изследване на взаимодействието на плазмата със стените на токамака ITER. – Това наистина е грандиозно научно начинание.“

Разбира се, няма да е излишно да се уточни въпросът с безопасността – едно от фундаменталните достойнства на токамака е това, че дори контактът на плазмата със стените няма да доведе до катастрофа – независимо от високата температура плазмата няма да успее моментално да прогори корпуса и да излезе навън, изпепелявайки всичко по своя път. Нейната плътност и като следствие – маса, не са достатъчни за това.

Токамак – основата на реактора

За основа на международния проект ITER служи концепцията на термоядрения реактор токамак, разработен от руски учени. През 1950 г. съветският физик О. А. Лаврентиев първи формулира идеята за използването на термоядрения синтез за произвеждане на енергия за промишлени цели. Година по-късно се ражда идеята за устройството на токамак – реактор, в който плазмата, концентрирана във формата на тор (геврек), се задържа чрез магнитно поле.

Токамак представлява вакуумна тороидална камера с магнитни бобини. Камерата, от която въздухът е изтеглен, се запълва със смес от тритий и деутерий. Плазмата в камерата се задържа от специално магнитно поле, тъй като нито една камера не е способна да издържи свръхвисоката й температура. За нагряването, свиването и задържането на равновесието на плазмата се използва вихрово електрично поле. Токът, протичащ през плазмата, я нагрява и създава т.нар. полоидално магнитно поле, което буквално обвива плазмата. Класическото устройство на токамак не позволява плазмата да се задържа задълго. За продължаване на действието на магнитното поле учените са разработили цял комплекс от допълнителни технологии.

Гигантските магнити на ITER, които ще бъдат сглобявани на място, ще бъдат охладени до температура, която само с четири градуса надвишава абсолютната нула – минус 269 °C. Това ще ги направи свръхпроводими и ще ограничи използваната от тях енергия. В резултат един от най-студените предмети на планетата ще се намира само на няколко метра от една от най-горещите субстанции във Вселената – плазмата в реактора ITER.

Трети проблем – изработването на гориво

Като още едно достойнство на токамака се сочи това, че той може сам да си произвежда най-дефицитния компонент от горивото – тритий (другият е деутерий, но той се среща в изобилие в обикновената вода). Реакторът ще бъде покрит със специално „одеяло” (blanket) с литий, който при облъчване с неутрони се превръща в тритий. Но това е на теория – на практика никой не е реализирал такава схема, тъй като работещи термоядрени реактори още няма.

Четвърти проблем – безопасността

Независимо че страшни катастрофи от рода на чернобилската е невъзможно да се случат на термоядрени електростанции (няма голямо количество високоактивни и живеещи дълго изотопи), малки, но чести аварии също са способни да поставят кръст на това направление.

Пети проблем – отвеждането на топлината

„Омотаването на реактора с тръби” също не е много просто. Малко ли е, че се изисква специална стомана, та и вариантът с водата може да не е идеален. В някои АЕЦ в тръбите на реактора циркулира течен натрий, но са възможни и варианти за охлаждане не с течност, а с газ.

Какви именно вещества ще се използват за отвеждане на топлината, как ще се разположат тръбите – част от отговорите на тези въпроси ще бъдат получени дори не на ITER или DEMO, а на други инсталации. Например на други експериментални установки с по-малък мащаб се проверява възможността на редица алтернативни на традиционните водопроводни схеми.