Как во Франции строят «печь» в десять раз горячее ядра Солнца
С 1965 года потребление энергии выросло в 3,5 раза. Большие заводы, теплые дома, вкусная еда, быстрые машины, переменчивые биткойны — все это нужно чем-то питать. И ладно бы, но свыше 70% энергии до сих пор получается из ископаемого топлива, которое загрязняет планету и, скорее всего, закончится до конца XXI века.
Смотрите также
Почему пчелы оказались в опасности и чем это грозит человечеству
В 2017 году был поставлен печальный рекорд: выбросы углекислого газа достигли 32,5 млрд тонн. Из-за этого планета разогревается — меняется климат, тает вечная мерзлота, гибнут сотни видов живого. Положение могли бы исправить сравнительно безвредные ветряки и солнечные панели, но пока эти технологии развиваются не так быстро, как хотелось бы. Поэтому физики пытаются овладеть новым методом получения энергии — термоядерным синтезом.
В атомных реакторах ядра химических элементов делятся, а при термоядерном синтезе, наоборот, сливаются — и выделяется колоссальная энергия. Впервые физики провели такую реакцию еще в 1950-х годах: именно она протекает в водородных бомбах. Только при взрыве синтез происходит мгновенно и неуправляемо, а удержать процесс под контролем чрезвычайно трудно.
Ядра атомов просто так не сливаются: они заряжены положительно, поэтому, к счастью для всего сущего, отталкиваются. Чтобы преодолеть этот барьер, ядра должны обладать достаточной кинетической энергией. Подходящие условия для синтеза есть, например, внутри Солнца, природного термоядерного реактора. Зажечь и приручить маленькую звезду — такова стоящая перед физиками задача.
Основная трудность с термоядерными реакторами — немыслимая температура, до которой разогревается топливо: десятки и даже сотни миллионов градусов — ни один материал такой жар не выдержит. Поэтому ученые пытаются удержать топливо подальше от стенок мощным магнитным полем. Существует несколько типовых конструкций термоядерного реактора, но самой перспективной считается токамак.
Развернуть
Одна из катушек, которая будет удерживать разогретую плазму в сердце реактора
© Дарья Золотухина/ТАСС
Одна из катушек, которая будет удерживать разогретую плазму в сердце реактора
© Дарья Золотухина/ТАСС
Токамаки, или тороидальные камеры с магнитными катушками, изобрели в 1950-х годах в Курчатовском институте. Первую установку построили в 1954-м, на следующий год после испытаний советской водородной бомбы. Токамаки похожи на бублик, обмотанный катушками. Туда помещают топливо и пускают электричество — температура подскакивает, образуется светящийся ионизированный газ, плазма, которую сжимает и удерживает магнитное поле.
В термоядерные реакции вступает даже железо, но проще и эффективнее использовать редкие разновидности самого легкого элемента, водорода: дейтерий и тритий. Дейтерий получают из морской воды, а тритий — облучая литий, которого в земной коре в 200 раз больше, чем урана. При слиянии ядер дейтерия и трития образуется стабильный — а значит, безвредный — гелий и выделяется огромная энергия.
Загвоздка в том, что для начала синтеза тоже нужна энергия, и прежние токамаки потребляли ее больше, чем производили. Именно эту проблему должен решить Международный термоядерный экспериментальный реактор ITER (ИТЭР), который строят на юге Франции.
Звезда в маковых полях
Дорога к стройке самой сложной научной установки современности лежит через цветущие маковые поля Прованса. Место выбрали рядом с исследовательским центром Кадараш неподалеку от Марселя. Одно время реактор думали построить в Японии, но вопрос решался на политическом уровне, и в результате торга была выбрана Франция.
Смотрите также
Оправдали ли солнечные панели надежду на новую энергетику
Начало ИТЭР было положено в 1985 году, когда на женевском саммите президент США Рональд Рейган и генсек СССР Михаил Горбачев договорились о международном сотрудничестве в области термоядерной энергетики "на благо всего человечества". Но подготовка строительной площадки в Кадараше началась только в январе 2007 года, когда семь партнеров — Евросоюз, Россия, Индия, Китай, Япония, Южная Корея и США — ратифицировали окончательное соглашение.
В последнее время проектом интересуются и другие страны, в том числе Австралия, Канада, Казахстан. Правда, в отличие от основателей, они не получат доступ ко всем технологиям. Единственное, на что они могут рассчитывать, — подряды на выполнение расчетов и тестирование.
Стройка реактора встречает забором с колючей проволокой и башенными кранами. Весь объект занимает площадь почти с 60 футбольных полей. В конце прошлого года закончили 50% работ: стакан наполовину полон, как любят говорить участники проекта. Сначала на площадке разбегаются глаза: тут — яма с мусором, рядом — бетонный 30-метровый цилиндр со множеством окон, будущая шахта реактора, недалеко от основных зданий — электрические подстанции, установки с азотом, топливом и несколько построек разного размера, напоминающих ангары для самолетов.
Развернуть
© REUTERS/Jean-Paul Pelissier
© REUTERS/Jean-Paul Pelissier
Для самой термоядерной установки вырыт котлован. Реактор установят на 493 колонны с резинометаллическим антисейсмическим покрытием. Вся конструкция будет весить 440 тыс. тонн, из которых собственно ИТЭР — 23 тыс. тонн, в 3,5 раза больше Эйфелевой башни. Высота реактора составит 30 метров — с девятиэтажный дом, но примерно на четверть он расположится под землей.
Во вспомогательных постройках будут подготавливать оборудование перед установкой, тестировать системы, очищать и отлаживать компоненты перед сборкой. В здании, где сейчас собирают одну из четырех магнитных катушек, навели практически стерильную чистоту. Разговоры ученых не слышно — все заглушает гул аппаратов. Наматывают катушку с точностью часовщика: измерения производятся с помощью лазера.
Развернуть
В зале, где собирают магнитные катушки, почти стерильная чистота и нет лишних людей
© Дарья Золотухина/ТАСС
В зале, где собирают магнитные катушки, почти стерильная чистота и нет лишних людей
© Дарья Золотухина/ТАСС
Большинство систем ИТЭР строят в других странах, в России — 25, в том числе еще одну катушку. Ею занимаются на Средне-Невском судостроительном заводе. Сборка проходит прямо на понтоне, чтобы сразу отправить ее морем в Марсель. Оттуда она поедет в Кадараш по так называемой дороге ИТЭР длиной 104 километра, которую специально укрепили и расширили для огромных грузовиков. Доставка сверхценных грузов занимает несколько дней: машины едут со скоростью 5–10 километров в час. Посмотреть на эти процессии собираются жители всех окрестных городков.
Фундаментальная наука и погнутые трубы
Руководитель департамента инженерии токамака ИТЭР Александр Алексеев говорит, что не все удается сделать в срок: "По многим системам есть задержки, но они в основном вызваны объективными трудностями. Например, сектор вакуумной камеры. В ней гигантское число швов. Все это надо сварить так, чтобы стыки не превышали доли миллиметра. Это исключительно жесткие требования! Кроме того, все оборудование новое, никто раньше не создавал такие системы — возникают сложности". Но Россия, по словам Алексеева, выполняет все обязательства в срок и служит примером для подражания.
Смотрите также
Как в Курчатовском институте придумали слово для всех языков мира
Даже координировать работы — очень сложная задача: в проекте участвуют 35 государств. Например, европейцы отвечают за все здания, кроме одного. Алексеев рассказал, что на трехмерной модели помещения токамака все сходилось, но когда прибыло оборудование, оказалось, что для его установки часть конструкции придется разобрать. По его словам, еще мешают разные случайности. Так, недавно американцы привезли пластину с охлаждающими трубами. Открыли ящики — трубы погнуты: их неправильно закрепили. Их можно починить, но время потеряно.
Но несмотря на трудности, участники проекта не сомневаются, что строительство закончится к 2025 году. Реактор получится действительно удивительным: дейтерий и тритий будут разогреваться до 150–300 млн градусов — в 10–20 раз сильнее, чем в ядре Солнца. Синтез будет длиться несколько минут, а не доли секунды, как в других токамаках. Благодаря этому установка будет производить минимум вдесятеро больше энергии, чем потреблять. А топливо, полученное из 45 литров воды и лития, как в одной батарейке, даст столько же, сколько 70 тонн угля на обычной электростанции.
Развернуть
Макеты и 3D-модели ИТЭР помогают лучше понять, как зажечь маленькое солнце
© Дарья Золотухина/ТАСС
Макеты и 3D-модели ИТЭР помогают лучше понять, как зажечь маленькое солнце
© Дарья Золотухина/ТАСС
Однако ни продавать, ни как-либо использовать эту энергию не станут. "Этот проект — большая лаборатория. Наша задача — продемонстрировать возможность получения энергии таким путем, отладить все системы. Это не индустриальная разработка", — сказал глава Организации ИТЭР Бернар Биго.
Успех этого проекта станет одним из величайших научных прорывов, перевернет мировую энергетику — у человечества появится безопасный и эффективный способ получения энергии из практически неисчерпаемого источника — и, вероятно, скажется на самых разных сторонах жизни.
Дарья Золотухина
По материалам:
