4 500 000 градусов для ядерного реактора нового типа

5 декабря заместитель директора Института ядерной физики им. Г. И. Будкера (ИЯФ) Сибирского отделения РАН Александр Иванов сообщил, что российским ученым удалось разогреть термоядерную плазму до рекордной температуры в 4,5 млн градусов Кельвина или 400 электронвольт. Чем так важно это достижение?

Как и многие новости из мира российской науки, это сообщение мало кто заметил. Проблема научных новостей состоит в их ограниченном употреблении: цифра в 4 500 000 градусов впечатляет непосвящённого человека количеством нулей, но и только. Хотя — как и многие новости из мира российской науки — подобное достижение новосибирских учёных не только является свидетельством высокого уровня отечественных фундаментальных исследований, но и связано с серьёзными практическими результатами подобных экспериментов.

Современная атомная энергетика основывается на расщеплении атомных ядер. Обычно для получения ядерной энергии используют цепную ядерную реакцию деления ядер урана или плутония. При попадании свободного нейтрона в ядро атома, возникают осколки деления, новые нейтроны, приводящие к расщеплению других ядер — и свободная энергия, которая при неконтролируемой реакции распада приводит к атомному взрыву, а при воздействии замедлителей нагревает теплоноситель ядерного реактора.

Ядерная энергия — выгодное и, во многом, безальтернативное средство удовлетворения энергетических потребностей человечества. Однако, на данном этапе развития человечества это средство в какой-то степени компромиссно, и не лишено недостатков. Запасы урана на Земле ограничены, для его добычи необходимы значительные усилия, а функционирование современных АЭС, несмотря на многоуровневые системы защиты, иногда оборачивается техногенными авариями, последствия которых ощущаются десятилетиями, если не веками.

Вместе с тем, энергию может давать не только распад атомов, но и синтез. Примером «реактора», работающего на подобном принципе является Солнце, в ядре которого давление настолько велико, что происходит реакция слияния изотопов водорода 2H и 3H с превращением в атом гелия 4He и выделение при этом 17,6 мегаэлектронвольт чистой энергии. Реакция термоядерного синтеза куда более выгодна с точки зрения выхода энергии, чем атомный распад. Один грамм «смеси» 2H и 3H эквивалентен примерно четырём тоннам высокооктанового бензина.

Но для запуска термоядерной реакции, синтеза одного ядра из нескольких, необходимо сблизить эти ядра на расстояние порядка одного фемптометра (10-15), где ядерные силы начинают преодолевать силы взаимного отталкивания — ядра атомов имеют одинаковый положительный заряд. Другими словами, нужно передать этим атомам очень большую энергию, большую, чем та, которая слиянию ядер препятствует. Поскольку мерой энергии частиц является температура, то наиболее простым способом преодоления кулоновского барьера остаётся нагрев. Что и отражено в названии «термоядерная».

Неконтролируемую реакцию термоядерного синтеза человечество научилось производить полвека назад — это термоядерная бомба, которая, фактически, является «двойной». Детонация инициирующего атомного заряда создаёт достаточную температуру и давление, чтобы началась реакция во втором заряде — заряде атомного синтеза. Но для извлечения термоядерной энергии в мирных целях, необходимо решить задачу — как произвести «взрыв» подобного боеприпаса в лаборатории? А точнее, создать и поддерживать некоторое время температуру примерно в сто миллионов градусов. Сто миллионов градусов — это температура, необходимая для устойчивой термоядерной реакции. Многие атомы будут вступать в реакцию уже при десяти миллионах — но только при 116 миллионах градусов система будет отдавать энергии больше, чем получает. Правда, умение создать такую температуру не может быть применено для практического термоядерного синтеза без способности удерживать такие энергии на протяжении хотя бы секунды. Важна и концентрация плазмы — она должна составлять более 1014 частиц на кубический сантиметр.

Любой физический контакт с такими температурами исключён — все материалы испарятся за время, куда меньшее, чем «мгновенно». Собственно говоря, само достижение температуры в 100 000 000 градусов давно уже не является запредельным для физики — ещё в 1962 году в советском Институте атомной энергии плазму нагрели до 50 миллионов кельвинов. А в 2010 году американские исследователи в Брукхейвенской национальной лаборатории получили кварк-глюонную плазму с температурой около 4 триллионов градусов. Но вот удержать достаточное для термоядерной реакции состояние плазмы необходимое время — для этого нужно решить огромное количество задач.

Плазму, единственное состояние вещества, в котором возможны такие температуры, удерживают магнитными полями. По сравнению с традиционным атомным реактором наших дней, термоядерные реакторы должны быть ещё более технологичны — ведь их «активная» зона, плазма звёздных температур, удерживается лишь невидимыми линиями магнитного поля.

Как обеспечить этот процесс не в лаборатории, а в промышленных масштабах, пока не знает никто. Проект международного экспериментального термоядерного реактора ITER типа «токамак» действует с 1985 года. К настоящему времени окончательно закончено проектирование реактора и выбрано место для его строительства — исследовательский центр Кадараш, в 60 км от Марселя. В декабре 2012 года руководством ITER был подписан гражданско-правовой договор с французско-испанским консорциумом VFR на строительство комплекса зданий «токамака». К августу 2013 г. была подготовлена площадка для сооружения, построены два вспомогательных здания и энергетическая подстанция. Стройку, стоимость которой первоначально оценивалась в 5 миллиардов евро, планировалось закончить в 2016 году, однако постепенно предполагаемая сумма расходов выросла вдвое, и затем срок начала экспериментов сдвинулся к 2020 году.

Так, эксперименты с более-менее стабильной дейтериево-тритиевой плазмой назначены на 2027 год — к этому времени необходимо будет решить задачу получения достаточного количества трития. По актуальным на данный момент расчётам, тритиевый реактор потреблял бы 56 кг трития на производство 1 ГВт·года электроэнергии, тогда как всемирные запасы трития на 2003 год составляли всего 18 килограммов. О получении термоядерной энергии для практических нужд, таким образом, можно говорить в лучшем случае в привязке к середине этого столетия.

Наиболее близким к практической реализации проектом использования термоядерной энергии является гибридный термоядерный реактор — во многом, перенявший «двойную» концепцию термоядерной бомбы. Реактор такого типа состоит из двух зон. В 1-й зоне — делящиеся вещества, (уран или торий), во 2-й зоне — литийсодержащие вещества для воспроизводства сгоревшего в плазме трития. «Термоядерные» нейтроны, рождающиеся в плазме с энергией 14,1 МэВ, проникают через прозрачную для них стенку в отсек с делящимися веществами. При помещении в эту зону урана, нейтроны поглощаются в нём с образованием плутония. Одновременно выделяется энергия, примерно равная 140 МэВ на один термоядерный нейтрон. То есть, гибридный термоядерный реактор даст даже больше энергии — в 6-7 раз — чем чисто термоядерный. При этом необязательно создавать температуру в указанные 116 миллионов градусов, и реакция не должна быть самоподдерживающейся. В результате упрощается решение многих проблем, что делает создание ГТР вполне возможным уже в ближайшем будущем.

Специалистам ИЯФ им. Г. И. Будкера удалось достичь достаточную временную протяженность по отношению к главной компоненте, которая участвует в реакциях синтеза. Это около десятка миллисекунд, но этого хватает, чтобы система могла быть использована как источник для управления гибридными реакторами. Для того, чтобы нагреть электронную компоненту, ученые ИЯФ СО РАН использовали разработку Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород) — мощный источник микроволнового излучения.

Дополнительно, отечественные учёные смогли решить практически нерешаемую задачу. Как пояснил замдиректора ИЯФ Александр Бурдаков, институт развивает направление открытых ловушек для плазмы. «Они имеют ряд преимуществ по сравнению с «токамаком»: простота конструкции, снятие некоторых ограничений, достижение высокого давления плазмы. Однако при этом она фактически упирается прямо в стенки, и долгое время никто не верил, что в таких системах можно действительно получить высокие температуры. Нам удается найти режимы, при которых означенный контакт очень слаб», — объяснил он.

Фактически, 5 декабря в Новосибирске была подтверждена возможность практической реализации ядерного реактора нового типа, значительно превосходящего по энергоотдаче всё, что существует на данный момент. Именно это скрывается за получением нашими учёными температуры в 4 500 000 кельвинов на десять миллисекунд.

Олег Головачёв