Курт Кобб: Ядерный синтез - революция в области чистой энергии или радиоактивный кошмар ?

Мой друг, получивший образование физика, часто шутил о будущем, в котором каждый из нас будет носить с собой ручные термоядерные реакторы, которые будут подключаться в любом месте и обеспечивать обильное количество чистой энергии для наших домов, автомобилей, офисов и фабрик.

Однако, по словам Дэниела Джассби, бывшего физика-исследователя из Принстонской лаборатории физики плазмы, реальность термоядерной энергетики полна огромных масштабов и огромных препятствий. (Всё нижеследующее предполагает, что оставшиеся препятствия на пути получения чистой энергии из термоядерного синтеза будут преодолены. Для решения этой проблемы потребуется отдельное и пространное эссе.)

Возможно, самое неожиданное открытие, предложенное Джассби, полностью противоречит сложившемуся в общественном сознании представлению о чистоте термоядерной энергии. Оказывается, что наиболее осуществимые конструкции термоядерных реакторов будут генерировать большое количество радиоактивности и радиоактивных отходов.

Как объясняет Джассби, внутри Солнца, которое питается за счёт термоядерного синтеза, обычные атомы водорода, каждый из которых состоит из ядер, содержащих один протон, сливаются вместе и производят гелий плюс энергию. Здесь, на планете Земля, термоядерные реакторы "сжигают богатые нейтронами изотопы, [которые] имеют побочные продукты, далеко не безвредные: энергичные потоки нейтронов составляют 80% энергии, вырабатываемой при термоядерном синтезе в реакциях дейтерий-тритий и 35% в реакции дейтерий-дейтерий". (Дейтерий - это атом водорода, состоящий из одного протона и одного нейтрона в его ядре. Тритий - это радиоактивная форма водорода, содержащая один протон и два нейтрона.)

Джассби подробно описывает последствия:

Эти потоки нейтронов непосредственно приводят к четырём прискорбным проблемам с ядерной энергией [как с делением, так и с термоядерным синтезом]: радиационному повреждению конструкций; радиоактивным отходам; необходимости биологической защиты; и потенциалу производства оружейного плутония-239 - таким образом, усиливается угроза распространения ядерного оружия, а не уменьшается, как того хотели бы сторонники термоядерного синтеза.

Он объясняет, что это означает для работы термоядерных реакторов:

Если термоядерные реакторы действительно реализуемы, как предполагается здесь, они разделили бы некоторые другие серьёзные проблемы, с которыми сталкиваются реакторы деления, включая выделение трития, огромные требования к охлаждающей жидкости и высокие эксплуатационные расходы. Также будут дополнительные недостатки, присущие только термоядерным устройствам: использование топлива (трития), которое не встречается в природе и должно восполняться самим реактором; и неизбежные перебои в подаче электроэнергии на месте, которые резко снижают количество электроэнергии, доступной для продажи.

Итак, вы хотите спросить: почему учёные просто не используют обычный водород вместо изотопов дейтерия и трития ? Наши попытки воссоздать солнечную энергию на Земле сталкиваются с "гораздо более низкими плотностями частиц и гораздо более кратковременным ограничением энергии", - объясняет Джассби. Вот почему учёные используют дейтерий и тритий, "которые на 24 порядка реакционноспособнее обычного водорода". 

"Это колоссальное преимущество в термоядерной реактивности позволяет создавать термоядерные сборки с в миллиард раз меньшей плотностью частиц и в триллион раз более низким энергопотреблением, чем на солнце", - объясняет Джассби.

Нейтроны, которые высвобождаются при этом типе синтеза, должны куда-то деваться. Со временем, как и на установках ядерного деления, эти нейтроны повреждают стенку корпуса реактора. Одна из разработок решает эту проблему, помещая термоядерное топливо в "сферу или цилиндр из жидкого лития толщиной в один метр". В результате образуются тонны радиоактивных отходов, которые необходимо ежегодно утилизировать. Без такого подхода стенки корпуса придётся периодически заменять, а затем транспортировать на места захоронения отходов. Учёные работают над улучшением материалов корпуса реактора.

При использовании в качестве топлива только дейтерия эта проблема менее выражена. Но сам по себе дейтерий в 20 раз МЕНЕЕ реакционноспособен, чем смесь дейтерия и трития, что затрудняет успешное создание синтеза только на дейтерии. Кроме того, реакторы, работающие только на дейтерии, создают идеальные условия для размножения плутония-239, материала для атомной бомбы, который может быть получен путем введения в реактор урана-238.

(Уран-238 намного дешевле и его гораздо больше в изобилии, чем урана-235, который составляет всего 0,7% добываемого урана и который является единственным естественным делящимся материалом. Бомбардировка урана-238 нейтронами - хороший способ получения плутония-239, расщепляющегося продукта, пригодного для атомных бомб.)

Для обеспечения чрезвычайно энергоемкого процесса термоядерного синтеза термоядерная установка будет расходовать много энергии только на то, чтобы работать сама по себе. Это означает, что масштаб будет иметь значение. Чтобы компенсировать эту так называемую паразитную утечку энергии и производить достаточно избыточной электроэнергии для продажи, чтобы оплатить расходы на строительство станции и её текущую эксплуатацию, термоядерные установки должны будут иметь мощность не менее одного гигаватта (одного миллиарда Ватт). Один гигаватт может обеспечить электроэнергией от 300 000 до 750 000 домов в зависимости от способа расчёта. И желательно будет даже значительно увеличить мощность каждой установки, поскольку это снизит процент выработки электроэнергии, расходуемой на поддержание термоядерной реакции и обслуживание инфраструктуры станции. Короче говоря, единственным способом сделать термоядерные установки экономичными - это строить их более крупными. Вот и вся фантазия моего друга о ручных термоядерных энергоблоках !

Во второй статье Джассби обращается к Международному экспериментальному термоядерному реактору (ИТЭР), расположенному во Франции. Проект представляет собой совместное исследовательское предприятие, предназначенное для изучения и совершенствования ядерного синтеза. Сам по себе он не будет производить электричество, а скорее подготовит почву для так называемых демонстрационных установок, которые могут быть построены во второй половине этого столетия.

У этого экспериментального реактора есть недостатки, перечисленные выше. Сроки, которые он предлагает для практического синтеза, заставляют задуматься, насколько полезной будет термоядерная энергия, если её сделать экономически выгодной, для решения насущных проблем по сокращению выбросов углерода. Конечно, существует очевидная проблема строительства таких установок с использованием существующих источников энергии, которые в основном основаны на ископаемом топливе. И только для проведения своих экспериментов ИТЭР потребуется 600 мегаватт мощности, что позволит сократить паразитные требования к мощности термоядерных реакторов.

Фантазия о скором появлении дешёвой, неограниченной термоядерной энергии без серьёзных побочных эффектов не позволяет нам, как обществу, справиться с краткосрочным энергетическим истощением и нашей постоянной зависимостью от ископаемого топлива ускоренным образом, необходимым для предотвращения крупного энергетического кризиса. Надежда на то, что термоядерная энергия каким-то образом решит наши энергетические и климатические проблемы, не является реальным планом. Это просто ещё одно иллюзорное техническое решение далёкого будущего, предлагаемое для того, чтобы убедить нас в том, что нам не нужно каким-либо существенным образом менять наш образ жизни для решения серьёзных проблем, с которыми мы сталкиваемся.