Корреспондент: Cонячний друг. «Рукотворне сонце» та новий тип АЕС допоможуть забути про енергетичні проблеми
Торій і керований ядерний синтез допоможуть уникнути нових Чорнобилів і вирішити енергетичні проблеми світу, пише Павло Сивокінь у №16 журналу Корреспондент від 25 квітня 2014 року.
На початку квітня дослідники з американської Lawrence Livermore National Laboratory вперше заявили, що їм вдалося отримати продуктивну реакцію термоядерного синтезу, яка може стати практично невичерпним, дешевим і безпечним джерелом енергії для всього світу.
За словами вчених, внаслідок впливу за допомогою 192 лазерів на ізотопи водню, дейтерій і тритій, було отримано кілька тисяч джоулів енергії. Це дуже незначна величина – від такої кількості енергії одна 100-ватна лампочка зможе горіти не більше трьох хвилин.
Важливо інше: за довгі десятиліття досліджень таких реакцій вперше досягли виходу енергії, що робить можливим створення нового покоління ядерних реакторів. Фактично в нових реакторах проходитимуть реакції схожі з тими, що постійно відбуваються на Сонці.
В останні роки вчені все частіше замислюються над тим, щоб замінити або убезпечити ядерну енергетику й уникнути нових аварій, таких як у Чорнобилі в 1986 році або на АЕС Три-Майл-Айленд у США в 1979-му. Зараз найбільш перспективними, на думку Майкла Зарнстофа з Princeton Plasma Physics Laborator, стають реакція термоядерного синтезу і використання торію як нового різновиду палива для атомних станцій.
Поки що обидва ці напрями перебувають на стадії розробки, але в найближчі роки в Євросоюзі хочуть запустити першу промислово-випробувальну термоядерну силову установку, де проходитиме перетворення.
А в США налаштовані інвестувати понад $ 3 млрд до 2018 року, щоб отримати свій перший реактор, випередивши європейців. Якщо це трапиться, то незначні запаси ізотопів водню забезпечать всі енергетичні потреби людства і назавжди покладуть край війнам за ресурси.
«Коли ми створимо самопідтримувану реакцію ядерного синтезу, 1 г суміші дейтерію і тритію дасть стільки ж електрики, скільки спалювання 8 т нафти зараз», – каже Корреспонденту Майкл Клессенс, прес-секретар міжнародного енергетичного проекту ITER (спорудження термоядерного реактора).
На думку Клессенса, ця технологія буде не тільки дешевою, а й повністю виключить аварії та забруднення навколишнього середовища.
За крок до запалювання
Експеримент в американській Lawrence Livermore National Laboratory, що привернув увагу всього світу, базувався на використанні лазерів для створення надвисокої температури і тиску в паливі.
«Це прямий аналог нашого Сонця, – каже Зарнстоф. – Там під дією гігантського тиску і температури приблизно 150 млн градусів за Цельсієм запускається перетворення, під час якого атоми водню стикаються і перетворюються на гелій, виділяючи енергію».
Експерименти з лазерами у США ведуться вже майже десять років, але тільки зараз вчені вперше змогли отримати від ядерного синтезу енергії більше, ніж на нього було витрачено. При цьому дослідники не приховують, що до стійкого і самопідтримуваного стану поки ще далеко.
Для отримання невеликого випромінювання знадобилося обладнання завбільшки з футбольний стадіон і вартістю $3 млрд, здатне сфокусувати на паливі в лазерних пучках 500 трлн Вт. Тільки тоді в окремих частинах кульки діаметром 3 см почалася реакція. Тому зараз зарано говорити про те, що незабаром у США створять промисловий ядерний реактор на цій основі.
Більш перспективним проектом ядерного синтезу може стати ITER, який зараз споруджують на півдні Франції. Він має стати найбільшою у світі термоядерною установкою. Саме там вчені з Євросоюзу, Японії та США сподіваються досягти стійких перетворень.
«Найскладніше дня нас – «запалювання», коли ми подолаємо силу відштовхування атомів і реакція стане самопідтримуваною», – пояснює Клессенс.
Для цього в реакторі використовуватимуть ізотопи водню, які доведуть до стану плазми за тиску не менше 150 млрд атмосфер і температури, що дорівнює температурі ядра Сонця. Жоден метал не витримає контакту з цією плазмою, тому кільце з неї буде підвішене у вакуумі за допомогою потужного магнітного поля.
В ITER сподіваються домогтися першого «запалювання» вже до 2020 року, і тоді можна буде не тільки отримувати «рукотворне сонце», а й виробляти електрику з мінімальними витратами, тому що під час злиття двох частинок водню виділяється енергія, що дорівнює 14,1 мегаелектронвольта. Для цього бракує тільки завершення кількох проектів з кріогеніки (охолодження реактора) та екранування випромінювання у вакуумі.
Європа інвестувала в ITER $ 20 млрд і планує найближчим часом підвищити капіталовкладення в ці дослідження на 20 %, до $ 110 млн щорічно. Проект стартував ще в 1992 році, але через нестачу фінансування просувався дуже повільно.
І лише кілька років тому, коли до проекту приєднався Китай, а США стали виділяти більше грошей, ITER почав активно будуватися. Тепер він перебуває на стадії спорудження оболонки реактора.
У програмі розвитку ЄС до 2030 року вже закріплено отримання першого струму від ядерного синтезу. Якщо так станеться, залежність від викопного палива буде вирішена. Особливо, як зауважує Джеймс Хансен з NASA Goddard Institute for Space Studies, це важливо в умовах, коли нетрадиційна енергетика не показала очікуваної економічної віддачі, а ступінь екологічного забруднення у світі постійно зростає.
Перспективний метал
Іншим проектом у сфері атомної енергетики, що в нинішньому році привернув увагу інвесторів і вчених, стало використання торію. Цей радіоактивний метал може замінити в ролі ядерного палива уран і плутоній.
«Останні 60 років ми зосередилися тільки на урановому паливі та викреслили решту джерел, можливо, більш безпечних та прибуткових», – нарікає в бесіді з Корреспондентом Едріан Булл з National Nuclear Laboratory.
За словами вченого, це визначалося тим, що в період холодної війни енергетику використовували як джерело отримання сировини для ядерної зброї. Про інші джерела ядерного палива тим часом забули.
Торій більш поширений у природі, ніж уран, хоча видобувати його складніше: метал не такий концентрований у своєму первозданному вигляді. За даними World Nuclear Association, світові запаси торію складають 5,4 млн т. Найбагатшими покладами володіють Індія, Туреччина, Бразилія й Австралія.
Крім того, щоб зробити з торію ядерне паливо, потрібно лише «збагатити» його нейтронами, щоб метал став ізотопом урану-233. Цей процес набагато простіший і дешевший, ніж той, що використовують для отримання ядерного палива зараз. І, що важливо, переробка торію не призводить до утворення збройового плутонію, тобто з нього неможливо виготовити атомну зброю.
Нарешті, захоронити відпрацьоване паливо з торію буде набагато дешевше, ніж уран або плутоній, оскільки воно не має такої високої радіоактивності.
«Період напіврозпаду ізотопу торію-232 – приблизно 75 років, в той час як ізотопи урану, які потрібно складувати, розпадаються в середньому через кілька тисяч років», – пояснили Корреспонденту в NASA Goddard Institute for Space Studies.
Сьогодні, згідно з інформацією інституту, у світі накопичилося понад 270 тис. т радіоактивних відходів, які доведеться зберігати дуже багато років.
Роботи зі створення першого промислового реактора на торії вже ведуться в Норвегії – там планують отримати перший струм до 2020 року. Ще більший крок зробила Індія, яка володіє майже 1 млн т запасів цього мінералу. У Делі вже заявили, що планують інвестувати понад $ 1,8 млрд у спорудження збагачувальних потужностей і хочуть розпочати завантаження торієвого ядерного палива в свої АЕС вже через п'ять років.
Хоча, на думку Томаса Альберта-Шмідта із Флоридського університету, мине мінімум 40-50 років, поки торій почнуть масово використовувати в атомній енергетиці. Але таке паливо вирішить проблему неефективного використання АЕС і знизить залежність країн від викопних ресурсів.
***
Цей матеріал опубліковано в №16 журналу Корреспондент від 25 квітня 2014 року. Передрук публікацій журналу Корреспондент в повному обсязі заборонено. З правилами використання матеріалів журналу Корреспондент, опублікованих на сайті Корреспондент.net, можна ознайомитися тут.