Усередині «бублика». Вакуумна камера термоядерного реактора Alcator C-Mod (США).
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 замовчують), що енергія потрібна не тільки для декількох лампочок в квартирі та для зарядки планшета. Ніякі вітро- і геліостанціі поки не в силах повністю забезпечити мегаполіси і, найголовніше, "нагодувати" промисловість. На підтвердження цих надій наведемо кілька цифр, які підтверджують роль атомної енергетики в світі і в Україні.
Частка вироблення електроенергії на АЕС в світі знаходиться на рівні 16%. В Україні ядерні реактори виробляють 43%. На альтернативні джерела фахівці, на відміну від романтиків всіх мастей, особливо не покладаються: країна навіть до нинішніх потрясінь планувала у 2030 році отримувати тільки 10% потрібної для суспільства та промисловості енергії від сонця, вітру тощо (ЄС – 20% в 2020-м). Тут вже волею-неволею перестанеш качати права проти АЕС.
Зворотний бік ядерної енергетики – її небезпека. Так, конструкція реакторів постійно вдосконалюється, але принцип роботи залишається незмінним. А значить, зберігається ризик дуже небезпечних аварій та 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 змахує на міраж, постійно віддаляється від подорожнього.
ТРОХИ ШКІЛЬНОЇ ФІЗИКИ: навіщо потрібна температура в 150 мільйонів градусів
Щоб зрозуміти принцип роботи термоядерного реактора, уявімо ситуацію: якимось чином нам вдалося наблизити впритул один до одного ядра дейтерію і тритію. Не лякайтеся – це різновиди (ізотопи) всім відомого водню. Відрізняються вони лише кількістю нейтронів в ядрі: у дейтерію – один, у тритію – два. Так от, якщо наблизити ядра впритул (взагалі-то вони категорично заперечують проти подібного насильства і відштовхуються), то починають діяти особливі процеси, так звана сильна взаємодія. В результаті злиття утворюється ядро гелію і виділяється величезна кількість енергії – набагато більше, ніж при розщепленні ядер урану.
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: йдеться 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 з супутником все зрозуміло, то що означає перший термін?
Після війни США та 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. В 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, "закований" в магнітне поле. Цю конструкція прозвали "токамак" (тороїдальними камера з магнітними котушками), і вона є ключовою ланкою і донині.
Зауважимо, що розробляються й 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 розжиг термоядерної реакції проводиться лазерами. На жаль, на цих напрямках досягнень негусто.
ВСЕ 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.
Ще в 1980-ті з'явилося усвідомлення того, що розробка промислового реактора не по кишені однієї, навіть найбагатшій країні. І в 1985 р. на зустрічі Горбачова і Рейгана народився проект ITER – створення пристрою нового покоління. Тільки проектування зайняло 20 років. Сьогодні ITER (ключові учасники – ЄС, Росія, США, Японія, Південна Корея, КНР) втілюється в життя біля м. Кадараш на півдні Франції. Для нього вже завершено будівництво однієї з найбільших платформ, створених людиною (1000x420 м). На неї пішло 15 тис. куб. м бетону, 16 тис. т арматури, 439 колон з особливим резинометаллическим антісейсмічним покриттям. Але і ця циклопічна конструкція – всього лише основа для токамака вагою 36 тисяч тонн, напханого сучасним обладнанням. На жаль, найважливіший для цивілізації проект постійно гальмується. Він такий масштабний і дорогий, що вкрай чутливий до здібності учасників домовлятися і фінансувати роботи. З 2004 р вартість ITER виросла c 5 до 16 млрд євро, а запуск перенесено з 2010-го на 2020-го. Але прориву, мабуть, знову не буде. За словами гендиректора ITER Осаму Мотоджіма, термоядерний синтез дозволить отримати всього лише 500 МВт до 2027 р. Для порівняння – Запорізька АЕС має потужність 6 тис. МВт.
Гігант. Будівництво платформи для майбутнього реактора біля міста Кадараш на півдні Франції.
Влучний 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, хай 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, зростанню фахівців", – вважає Литвинський.
ВИГОДИ СИНТЕЗУ
Найважливіша спокуса, заради якого держави платять за дослідження в області термоядерного синтезу, – шанс отримати практично невичерпне джерело енергії. Другий, не менш значимий аргумент, – надія на позбавлення від постійно зростаючої гори радіоактивних відходів, які стали величезним головним болем АЕС. Про забрудненнях місцевості в разі НП після Чорнобиля і Фукусіми і згадувати не хочеться. А ось при роботі термоядерного реактора замість даремних і страшно "фонять" відходів утворюється інертний газ гелій, якому є безліч застосувань в побуті та народному господарстві.
Якби сталося 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.