Енергія зірок: що таке термоядерний реактор і з чим його їдять сьогодні.
Інженери вже 60 років намагаються запалити Сонце на Землі і витрачають на це мільярди доларів
Говорити про перспективи ядерної енергетики зараз і ніяково, і немодно. Ніяково з тієї причини, що свіжі в пам'яті Чорнобиль і Фукусіма. Немодно тому, що в тренді поновлювані джерела енергії і боротьба за екологію. Але фанатичні мешканці екопоселень і професійні борці за чистоту природи не враховують (а нерідко лицемірно мовчать), що енергія потрібна не тільки для декількох лампочок в квартирі та для зарядки планшета. Ніякі вітро- і геліостанції поки не в силах повністю забезпечити мегаполіси і, найголовніше, "нагодувати" промисловість. На підтвердження цих надій наведемо кілька цифр, які б підтверджували роль атомної енергетики в світі та в Україні.
Зворотний бік ядерної енергетики - її небезпека. Так, конструкція реакторів постійно вдосконалюється, але принцип роботи залишається незмінним. А значить, зберігається ризик дуже небезпечних аварій і проблема шкідливих відходів, про що постійно пам'ятають як вчені, так і ті, кого свого часу ця небезпека торкнулася безпосередньо. Альтернативою традиційної атомній енергетиці бачиться освоєння не розщеплення, а, навпаки, злиття ядер. Ось тільки час, коли АЕС можна буде закривати за непотрібністю і моральним старінням, постійно відкладається, і стан справ скидається на міраж, постійно віддаляється від подорожнього.
Залишилася суща "дурниця" - знайти спосіб подолати взаємне відштовхування. Наука давно дізналася спосіб, як цей зробити: ядра потрібно гарненько розігнати і зіштовхнути. А коли швидкість атомів більше? Правильно, коли вище температура. Тому термоядерний синтез так і назвали - адже він заснований на нагріванні речовини до неймовірних температур. Зауважимо, що природа створила термоядерні реактори мільярди років тому: мова йде про зірок, включаючи Сонце. У центрі зірки температура доходить до 15 млн градусів. Але тут відіграє роль не тільки температура, але і колосальна щільність зірки, коли в силу вступає гравітація. Не будь такої гігантської маси (в 333 тисячі разів важча за Землю), температура потрібна була б в 10 разів більше. Так що в умовах Землі інженерам довелося знайти спосіб отримувати ці самі 150 млн градусів.
ГОНКА ЗА ЕНЕРГІЄЮ: від "цар-бомби" до ITER
Коли хочеться сильно сказати ущипливо з приводу дрімучості "совка", то варто згадати, що "совок" приніс в науку і техніку слова "токамак" і "супутник". І якщо із супутником все зрозуміло, то що означає перший термін?
Після війни США і СРСР впритул зайнялися зброєю на основі термоядерного синтезу. Для створення потрібних температур і тисків застосовувався ядерний вибух: він "запалював" термоядерну реакцію в бомбі. Апофеозом гонки стали випробування радянської "цар-бомби" потужністю 58 Мт в 1961 році над безлюдній Новою Землею. Так, моторошне було дійство (в Хіросімі американці застосували "всього лише" 20 Кт, і загинуло більше 100 тисяч японців). Однак войовничі позиви з боку США з тих пір помітно вщухли.
Макет радянської "Цар-бомби" - найпотужнішого боєприпасу на планеті.
Що стосується мирного застосування термоядерного синтезу, то тут все не так однозначно. Виявилося, що створити "грубку" для розігріву ізотопів неможливо: немає у Всесвіті такого матеріалу, який міг би витримати температури в мільйони градусів. Було потрібно щось принципово нове. У 1950-х роках одна і та ж думка відвідала кілька розумних голів, але пальма першості і витонченість рішення належать радянській школі фізики. Більш конкретно - Олегу Лаврентьєву, Андрію Сахарову, Ігорю Тамму. Вони запропонували помістити плазму (розпечений іонізований газ) в вакуум. А щоб вогненний згусток не торкався стінок, утримувати його магнітним полем. Камера мала форму пустотілого тора (простіше кажучи - бублика), оточеного магнітами. По осі "бублика" висить шнур плазми, "закутий" в магнітне поле. Цю конструкція прозвали "токамак" (тороідальн камери з магнітної котушками), і вона є ключовою ланкою і до цього дня.
Зауважимо, що розробляються і інші підходи. У Німеччині побудований експериментальний реактор Wendelstein 7-X типу стелларатор (для неосвіченого погляду відрізняється від токамака тільки формою вакуумної камери у вигляді "зім'ятого бублика"). США реалізують проект NIF, де розпал термоядерної реакції проводиться лазерами. На жаль, на цих напрямках досягнень негусто.
ВСІ РАЗОМ. За 60 років токамаки створили в багатьох розвинених країнах. Але прориву, про який мріялося в 1960-х, не сталося, хоча вдалося подолати масу приватних труднощів.
Гігант. Строітельсвто платформи для майбутнього реактора біля міста Кадараш на півдні Франції.
Влучне опис ситуації з термоядерними реакторами дав одного разу наш експерт в галузі ядерної енерегетікі, доктор фізико-математичних наук Людвіг Литвинський: "Коли я був 17-річним хлопчаком, який вступав до університету, я чув, що ось ще 5-7 років, - і прототип реактора буде реалізований в залозі. Коли вступав до аспірантури, то чув, що ще 5-7 років - і прототип в залозі буде побудований. Коли кинув займатися фундаментальною фізикою і перейшов в енергетику, чув те ж саме. На мій погляд, часові терміни для синтезу - це не одне десятиліття. Але в "прекрасному далеко" синтез все одно реалізують ". Як пояснив експерт, Україна, нехай і скромно, але бере участь у проекті ITER. "По синтезу працюють теоретики. У нас сильна школа в Інституті ядерних досліджень. Навіть якщо технології не будуть реалізовані, така участь сприяє розвитку національного інтелекту, росту фахівців", - вважає Литвинський.
Найважливіший спокуса, заради якого держави платять за дослідження в області термоядерного синтезу, - шанс отримати практично невичерпне джерело енергії. Другий, не менш значимий аргумент, - надія на порятунок від постійно зростаючої гори радіоактивних відходів, які стали величезним головним болем АЕС. Про забрудненнях місцевості в разі надзвичайної ситуації після Чорнобиля і Фукусіми і згадувати не хочеться. А ось при роботі термоядерного реактора замість непотрібних і страшно "фонять" відходів утворюється інертний газ гелій, яким є безліч застосувань в побуті і народному господарстві.
Якщо щось трапиться аварія, такий реактор не піде в рознос: в силу конструкції всі процеси всередині нього миттєво припиняться. Так, деталі будуть "фонить", але рівень не йде ні в яке порівняння з випромінюванням на уранових реакторах. Нарешті, нові реактори дають надію на створення нового типу двигунів для космічних кораблів.