70-летний токамак, как грааль чистой энергетики или как морковка перед носом ослов-инвесторов?
Как уже ясно из заголовка, речь пойдет об идее управляемого термоядерного синтеза в водородной плазме, удерживаемой тороидальной магнитной ловушкой. Эту схему предложили Андрей Сахаров и Игорь Тамм в 1951 году для будущего термоядерного реактора, который работал бы по тому же принципу, что звездный нуклеосинтез. Почти одновременно та же идея была выдвинута в США [1]. И началась научно-техническая гонка (типичная для периода Первой Холодной войны в любой потенциально прорывной области) С тех пор прошло 70 лет.
В 2001-м на полувековом юбилее этой истории докладчику был задан прямой вопрос: В 1981-м вы обещали термоядерную энергетическую установку через 20 лет, они прошли, и снова вы обещаете через 20 лет, не слишком ли похожа тема токамаков на фольклорную морковку перед носом идущего осла?
Докладчик отшутился, что мол постоянство планов - признак мастерства.
Шутки - шутками, но вот прошли эти 20 лет, и мы видим сегодня очередное сотрясение морковки перед носом осла: "Эксперты считают, что первые результаты эксперимента в Великобритании могут помочь устранить препятствия на пути к коммерческой энергетике, основанной на ядерном синтезе... реализации планов по созданию прототипа термоядерной электростанции под названием Step в Великобритании. Ожидается, что она войдет в строй где-то в 2040-х годах". [2]
"Коммерческий термоядерный реактор на подобном принципе, если он станет реальностью, а это ожидается в Великобритании через 20 лет, не потребует частых и регулярных ремонтов в виде восстановления внутреннего защитного покрытия, что сделает эксплуатацию реакторов коммерчески оправданной" [3].
...Давайте уже разберемся о чем СЕГОДНЯ идет речь при очередном 20-летнем обещании.
Всего лишь о том, что при сохранении принципа тороидальной магнитной ловушки, сама камера для плазмы сделана не тороидальной, а сферической. Этот проект, известный в Британии как MAST, а в России - как Глобус-М2, существует с середины 1990-х [4]. Ни в коем случае не отрицая, что эти исследования могут добавить много интересного к знаниям о прикладной физике плазмы, можно уверенно сказать: этот шаг приблизит нас к промышленной термоядерной электростанции не более, чем шаг фольклорного осла приближает его морду к морковке.
Вот что реально имеется в британской установке MAST: камера объемом 8 кубометров, где водородная плазма с температурой 150 миллионов градусов Кельвина и плотностью порядка 10 в 20 степени частиц на кубометр удерживается порядка секунды за счет тока порядка миллиона ампер в катушке, создающей магнитное поле. Ничего больше.
При работе установки MAST потребляется мощность 5 мегаватт.
Для удобства понимания, пересчитаем количество удерживаемой плазмы в массовые единицы по закону Авогадро, и получим: примерно 1.3 миллиграмма по легкому изотопу водорода (1H) или 2.6 миллиграмма по тяжелому изотопу водорода - дейтерию (2H).
Ладно. Не будем придираться к соотношению количества удерживаемой плазмы и потребляемой для этого мощности. Установка, все-таки, экспериментальная.
Давайте выясним, достаточна ли температура 150 миллионов Кельвина для зажигания термоядерной реакции? Кулоновский барьер для изотопов водорода составляет порядка 0.1 МэВ, или порядка миллиарда Кельвина [5]. В среднем наша плазма оказывается холодновата, но нас выручит распределение по скоростям (т.е. у значительного количества частиц все-таки окажется достаточно энергии для столкновения).
Теперь давайте определим, можно ли в принципе получить положительный энергетический выход на установке с такими параметрами удержания плазмы? На этот вопрос нам ответит критерий Лоусона [6]. Он имеет размерность с/м3 и показывает, сколько времени при какой плотности надо удерживать плазму того или иного состава для положительного выхода энергии при термоядерной реакции в ней.
Рассчитанные критерии Лоусона составляют:
- для дейтерия > 10 в 22 степени
- для смеси дейтерий-тритий > 10 в 20 степени
Таким образом, при наших параметрах плазмы нам нечего надеяться на дейтерий, но мы можем достичь успеха на смеси дейтерий - тритий (сверхтяжелый водород 3H)...
...Увы. Расчет на тритий сразу лишает нашу установку практического смысла. У трития есть четыре неприятные особенности:
I - Тритий не долгоживущий изотоп, его период полураспада чуть более 12 лет.
II - Соответственно, тритий довольно токсичен (впрочем, не запредельно).
III - Тритий технологически весьма сложно производить (и в мире на АЭС производится всего несколько килограммов трития в год)
IV - Соответственно, тритий очень дорог, около 30.000 долларов за грамм.
Даже если не смотреть на жуткую цену (п. IV), есть некая черная ирония в том, что тритий производится лишь на АЭС (п. III) и ради снабжения "грааля чистой энергетики" всего килограммом трития в год придется строить очередную урановую АЭС тепловой мощностью несколько гигаватт.
Какой из всего этого вывод?
А просто: хватит цепляться за токамак - это побочное дитя военной программы разработки термоядерных бомб годится лишь для исследовательских целей. Для новой ядерной энергетики он просто не подходит. Но для этого подходит немало других процессов:
Например - реактор бор-протонного синтеза [7].
Или например, всеядный субкритический реактор на быстрых протонах [8].
Это не говоря уже об экзотических трансмутации элементов, или о не менее экзотических туннельных ядерных реакциях в кристаллах металлическом водорода или в ячейках суперионного льда.
В общем, есть о чем задуматься.
...Такие дела...
---------------------------------------------
1) https://ru.wikipedia.org/wiki/Токамак
https://ru.wikipedia.org/wiki/Звёздный_нуклеосинтез
2) 26.05.2021 Эксперимент в Великобритании может преодолеть препятствие для термоядерного синтеза
https://www.bbc.com/russian/news-57203025
3) 26.05.2021 Британия приблизила эру доступного термоядерного синтеза с запуском обновлённого сферического токамака MAST
https://3dnews.ru/1040485/britaniya-priblizila-eru-dostupnogo-termoyadernogo-sinteza-s-zapuskom-obnovlyonnogo-sfericheskogo-tokamakamast
4) https://en.wikipedia.org/wiki/Mega_Ampere_Spherical_Tokamak
https://www.atomic-energy.ru/news/2020/11/03/108446
https://www.rscf.ru/news/presidential-program/tokamak-globus-m2/
5) https://ru.wikipedia.org/wiki/Термоядерная_реакция
6) https://ru.wikipedia.org/wiki/Критерий_Лоусона
7) ЖЭТФ (2016) Безнейтронная ядерная реакция при инерциальном удержании
замагниченной плазмы лазерно-ускоренных протонов и ядер бора
http://www.mathnet.ru/links/5b868fc8d420a2d4f63bde5189d24125/jetpl4997.pdf
28 августа 2016 Чистая энергия за копейки
https://habr.com/ru/post/397025/
8) February 22, 2013 Accelerator Driven Subcritical Reactors. Panos Baxevanis
http://large.stanford.edu/courses/2013/ph241/baxevanis1/
https://en.wikipedia.org/wiki/Accelerator-driven_subcritical_reactor
В 2001-м на полувековом юбилее этой истории докладчику был задан прямой вопрос: В 1981-м вы обещали термоядерную энергетическую установку через 20 лет, они прошли, и снова вы обещаете через 20 лет, не слишком ли похожа тема токамаков на фольклорную морковку перед носом идущего осла?
Докладчик отшутился, что мол постоянство планов - признак мастерства.
Шутки - шутками, но вот прошли эти 20 лет, и мы видим сегодня очередное сотрясение морковки перед носом осла: "Эксперты считают, что первые результаты эксперимента в Великобритании могут помочь устранить препятствия на пути к коммерческой энергетике, основанной на ядерном синтезе... реализации планов по созданию прототипа термоядерной электростанции под названием Step в Великобритании. Ожидается, что она войдет в строй где-то в 2040-х годах". [2]
"Коммерческий термоядерный реактор на подобном принципе, если он станет реальностью, а это ожидается в Великобритании через 20 лет, не потребует частых и регулярных ремонтов в виде восстановления внутреннего защитного покрытия, что сделает эксплуатацию реакторов коммерчески оправданной" [3].
...Давайте уже разберемся о чем СЕГОДНЯ идет речь при очередном 20-летнем обещании.
Всего лишь о том, что при сохранении принципа тороидальной магнитной ловушки, сама камера для плазмы сделана не тороидальной, а сферической. Этот проект, известный в Британии как MAST, а в России - как Глобус-М2, существует с середины 1990-х [4]. Ни в коем случае не отрицая, что эти исследования могут добавить много интересного к знаниям о прикладной физике плазмы, можно уверенно сказать: этот шаг приблизит нас к промышленной термоядерной электростанции не более, чем шаг фольклорного осла приближает его морду к морковке.
Вот что реально имеется в британской установке MAST: камера объемом 8 кубометров, где водородная плазма с температурой 150 миллионов градусов Кельвина и плотностью порядка 10 в 20 степени частиц на кубометр удерживается порядка секунды за счет тока порядка миллиона ампер в катушке, создающей магнитное поле. Ничего больше.
При работе установки MAST потребляется мощность 5 мегаватт.
Для удобства понимания, пересчитаем количество удерживаемой плазмы в массовые единицы по закону Авогадро, и получим: примерно 1.3 миллиграмма по легкому изотопу водорода (1H) или 2.6 миллиграмма по тяжелому изотопу водорода - дейтерию (2H).
Ладно. Не будем придираться к соотношению количества удерживаемой плазмы и потребляемой для этого мощности. Установка, все-таки, экспериментальная.
Давайте выясним, достаточна ли температура 150 миллионов Кельвина для зажигания термоядерной реакции? Кулоновский барьер для изотопов водорода составляет порядка 0.1 МэВ, или порядка миллиарда Кельвина [5]. В среднем наша плазма оказывается холодновата, но нас выручит распределение по скоростям (т.е. у значительного количества частиц все-таки окажется достаточно энергии для столкновения).
Теперь давайте определим, можно ли в принципе получить положительный энергетический выход на установке с такими параметрами удержания плазмы? На этот вопрос нам ответит критерий Лоусона [6]. Он имеет размерность с/м3 и показывает, сколько времени при какой плотности надо удерживать плазму того или иного состава для положительного выхода энергии при термоядерной реакции в ней.
Рассчитанные критерии Лоусона составляют:
- для дейтерия > 10 в 22 степени
- для смеси дейтерий-тритий > 10 в 20 степени
Таким образом, при наших параметрах плазмы нам нечего надеяться на дейтерий, но мы можем достичь успеха на смеси дейтерий - тритий (сверхтяжелый водород 3H)...
...Увы. Расчет на тритий сразу лишает нашу установку практического смысла. У трития есть четыре неприятные особенности:
I - Тритий не долгоживущий изотоп, его период полураспада чуть более 12 лет.
II - Соответственно, тритий довольно токсичен (впрочем, не запредельно).
III - Тритий технологически весьма сложно производить (и в мире на АЭС производится всего несколько килограммов трития в год)
IV - Соответственно, тритий очень дорог, около 30.000 долларов за грамм.
Даже если не смотреть на жуткую цену (п. IV), есть некая черная ирония в том, что тритий производится лишь на АЭС (п. III) и ради снабжения "грааля чистой энергетики" всего килограммом трития в год придется строить очередную урановую АЭС тепловой мощностью несколько гигаватт.
Какой из всего этого вывод?
А просто: хватит цепляться за токамак - это побочное дитя военной программы разработки термоядерных бомб годится лишь для исследовательских целей. Для новой ядерной энергетики он просто не подходит. Но для этого подходит немало других процессов:
Например - реактор бор-протонного синтеза [7].
Или например, всеядный субкритический реактор на быстрых протонах [8].
Это не говоря уже об экзотических трансмутации элементов, или о не менее экзотических туннельных ядерных реакциях в кристаллах металлическом водорода или в ячейках суперионного льда.
В общем, есть о чем задуматься.
...Такие дела...
---------------------------------------------
1) https://ru.wikipedia.org/wiki/Токамак
https://ru.wikipedia.org/wiki/Звёздный_нуклеосинтез
2) 26.05.2021 Эксперимент в Великобритании может преодолеть препятствие для термоядерного синтеза
https://www.bbc.com/russian/news-57203025
3) 26.05.2021 Британия приблизила эру доступного термоядерного синтеза с запуском обновлённого сферического токамака MAST
https://3dnews.ru/1040485/britaniya-priblizila-eru-dostupnogo-termoyadernogo-sinteza-s-zapuskom-obnovlyonnogo-sfericheskogo-tokamakamast
4) https://en.wikipedia.org/wiki/Mega_Ampere_Spherical_Tokamak
https://www.atomic-energy.ru/news/2020/11/03/108446
https://www.rscf.ru/news/presidential-program/tokamak-globus-m2/
5) https://ru.wikipedia.org/wiki/Термоядерная_реакция
6) https://ru.wikipedia.org/wiki/Критерий_Лоусона
7) ЖЭТФ (2016) Безнейтронная ядерная реакция при инерциальном удержании
замагниченной плазмы лазерно-ускоренных протонов и ядер бора
http://www.mathnet.ru/links/5b868fc8d420a2d4f63bde5189d24125/jetpl4997.pdf
28 августа 2016 Чистая энергия за копейки
https://habr.com/ru/post/397025/
8) February 22, 2013 Accelerator Driven Subcritical Reactors. Panos Baxevanis
http://large.stanford.edu/courses/2013/ph241/baxevanis1/
https://en.wikipedia.org/wiki/Accelerator-driven_subcritical_reactor