Прорив у ядерному синтезі: що це означає для майбутнього енергетики

Версия для печати

 Європейські вчені оголосили про великий прорив у прагненні розробити практичний ядерний синтез - енергетичний процес, який живить зірки.

Британська лабораторія JET побила власний світовий рекорд щодо кількості енергії, яку вдалося отримати, стискаючи разом дві форми водню. Експерименти дали 59 мегаджоулів енергії за п'ять секунд (11 мегаватів потужності), передає BBC.

Це більш ніж удвічі більше, ніж отримали під час аналогічних тестів у 1997 році. Це не надто велика кількість енергії - достатня лише для кип'ятіння приблизно 60 чайників води.

Але важливість цього досягнення полягає в тому, що воно підтвердило правильність проєкту, розробленого для більшого термоядерного реактора, який зараз будують у Франції.

"Експерименти JET на крок наблизили нас до термоядерної енергії, - сказав д-р Джо Мілнс, керівник реакторної лабораторії. - Ми продемонстрували, що можемо створити мінізірку всередині нашої машини та утримувати її там протягом п'яти секунд і отримати високу продуктивність, що дійсно виводить нас на новий щабель". 

Об'єкт ITER, розташований на півдні Франції, підтримує консорціум світових урядів, зокрема країн-членів ЄС, США, Китаю та Росії. Очікують, що це стане останнім кроком у підтвердженні того факту, що ядерний синтез може стати надійним джерелом енергії у другій половині цього століття.

Експлуатація електростанцій майбутнього, заснованих на термоядерному синтезі, не призводитиме до викидів парникових газів і створюватиме лише дуже малу кількість короткоживучих радіоактивних відходів.

"Ці експерименти, які ми щойно завершили, мали спрацювати, - сказав генеральний директор JET професор Ян Чепмен. - Якби вони не спрацювали, ми б мали реальні побоювання щодо того, чи зможе ITER досягти своїх цілей".

"Ставки були високі, і те, чого ми досягли, вдалося зробити завдяки неймовірним людям та їхній вірі в науку", - сказав він BBC News.

Термоядерний синтез базується на принципі, що енергію можна вивільнити шляхом злиття атомних ядер, а не шляхом їхнього розщеплення, як у випадку реакцій поділу, завдяки яким працюють наявні атомні електростанції.

В ядрі Сонця це відбувається завдяки величезному гравітаційному тиску за температур близько 10 мільйонів градусів Цельсія. За набагато нижчого тиску, який можливий на Землі, температури для синтезу повинні бути набагато вищими - понад 100 мільйонів градусів Цельсія.

Не існує матеріалів, які могли б витримати прямий контакт з таким теплом. Отже, щоб досягти термоядерного синтезу в лабораторії, вчені розробили систему, у якій перегрітий газ або плазма утримується всередині магнітного поля у формі пончика.

Реактор Joint European Torus (JET), розташований в Калхемі в Оксфордширі, став піонером у розробці цього підходу до синтезу, якою займається вже майже 40 років. І протягом останніх 10 років його налаштували таким чином, щоб відтворити майбутній вигляд об'єкту ITER. "Паливом", яке обрала французька лабораторія для виготовлення плазми, буде суміш двох форм ізотопів водню - дейтерію і тритію.

JET мав випробувати матеріал, з якого будуть зроблені внутрішні стінки реактора об'ємом 80 кубічних метрів, в якому міститься магнітне поле, який був би ефективний для роботи із цими ізотопами.

Під час експериментів у 1997 році JET використовував вуглець, але вуглець поглинає тритій, який є радіоактивним. Тому для останніх випробувань нові стінки реактора виготовили з металів берилію та титану. Вони поглинають в 10 разів менше.

Потім науковій команді JET довелося налаштувати свою плазму для ефективної роботи в цьому новому середовищі.

"Це приголомшливий результат, тому що їм вдалося отримати найбільшу кількість енергії, що виділилась у результаті термоядерних реакцій у будь-якому пристрої в історії, - прокоментував доктор Артур Террелл, автор книги "Будівники зірок: ядерний синтез і енергетичні перегони планети" (The Star Builders: Nuclear Fusion And The Race To Power The Planet).

"Це знаковий момент, адже вони продемонстрували стабільність плазми протягом п'яти секунд. Це звучить не дуже довго, але в ядерному масштабі це дійсно дуже, дуже довгий час. І тоді дуже легко перейти від п'яти секунд до п'яти хвилин, чи п'яти годин, чи навіть довшого часу", - додав він. Реактор JET не зможе працювати довше, тому що його мідні електромагніти нагріваються занадто сильно. Однак для проєкту ITER використають надпровідні магніти з внутрішнім охолодженням.

Реакції синтезу в лабораторії, як відомо, споживають більше енергії для ініціювання, ніж вони можуть виробити. У випадку JET для проведення експериментів використовують два маховики потужністю 500 мегаватів.

Але є переконливі докази того, що цей дефіцит в майбутньому можна буде подолати, оскільки використовуватимуть більше плазми. Об'єм тороїдальної ємності ITER буде в 10 разів більшим, ніж JET.

Сподіваються, що французька лабораторія вийде на беззбитковість. Комерційні електростанції, які з'являться після цього, повинні давати енергію, яку можна буде передати в електричні мережі.

Це довготривалий проєкт, і примітно те, що приблизно чверть із 300 вчених, які працюють у JET, наразі лише розпочинають свою кар'єру. Саме їм доведеться передати дослідницьку естафету.

"Синтез займає багато часу, це складно, це важко, - каже докторка Атіна Каппату, якій зараз ще немає 40 років. - Ось чому ми повинні забезпечити, щоб від покоління до покоління були вчені, були інженери та технічний персонал, які могли б рухати справу вперед".

Однак залишається багато технічних проблем. У Європі над цими проблемами працює консорціум Eurofusion, до якого входять близько 5000 наукових та інженерних експертів з ЄС, Швейцарії та України. Велика Британія також бере участь у проєкті.

Реактор JET, ймовірно, виведуть з експлуатації після 2023 року, а ITER розпочне експерименти з плазмою в 2025 році або незабаром після цього.

Джерело: BBC