Наука и техника: Энергетика Утолят ли вода и литий энергетический голод мира
Михаил Найден
В воскресенье на публичной лекции в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН член Лондонского королевского общества профессор Кристофер Ллевелин Смит рассказал о своём видении путей развития термоядерной энергетики в мире. Справка STRF:
Сэр Кристофер Ллевелин Смит, член Лондонского королевского общества, председатель Совета Организации ИТЭР, директор Научного центра Кулхэм в Великобритании. 
Кристофер Ллевелин Смит: «Повышение эффективности современных способов энергопотребления проблему дефицита энергии решить не сможет»
От метана к дейтерию
Сейчас мощность производимой всем человечеством энергии составляет 15,7 тераватт. Как свидетельствуют докризисные прогнозы Международного агентства по энергетике, к 2030 году мировое энергопотребление вырастет в полтора раза, и значительная часть этого спроса не покрывается существующими мощностями. Откуда будут брать недостающие объёмы энергии — вопрос открытый. 80 процентов используемой человечеством энергии создается за счёт сжигания нефти, угля и газа. По прогнозам Геологической службы США, рост мировой добычи нефти будет продолжаться ещё 20 лет, по другим оценкам, — не более 10. Запасов каменного угля, если учёсть рост его потребления на четыре с половиной процента ежегодно, тоже хватит лет на 50. Причём, как особо подчеркнул Кристофер Ллевелин Смит, повышение эффективности современных способов энергопотребления полностью проблему дефицита решить не может. Как и использование всего потенциала ряда существующих направлений альтернативной энергетики. Профессор Смит привёл результаты собственных расчётов. Ветер, как источник энергии, может дать миру максимум три тераватта, ГЭС и биотопливо — по одному, геотермальные источники вместе с энергией приливов и отливов дотянут только до ста гигаватт. Развитие атомной энергетики может иметь перспективы, но этому может серьёзно помешать исчерпание запасов дешёвого урана, которого осталось приблизительно ещё на 50 лет.
Теоретически неисчерпаемый объём энергии может дать Солнце. Всего на 0,5 процентов площади Земли попадает количество энергии, эквивалентное мощности 19 тераватт (даже при условии КПД её преобразования в 15 процентов). Однако, по оценкам профессора Смита, экономически оправданных по сочетанию стоимости и эффективности технологий солнечной энергетики пока не существует. Потенциал развития этого направления эксперт связывает с применением улавливающих солнечную энергию гелиостатов в получении водорода каталитическим разложением воды. Но для этого понадобятся принципиально новые материалы, которые, поглощая энергию, смогут обеспечить необходимую для процесса температуру. К тому же, скорее всего, в качестве источника водорода придётся дополнительно опреснять морскую воду. Сейчас солнечные батареи уже применяются для электролитического получения этого газа, но пока их стоимость остаётся высокой. Поэтому наиболее перспективным направлением профессор Кристофер Ллевелин Смит считает термоядерный синтез с участием изотопов водорода (дейтерия и трития) с выделением огромного количества энергии: оно превысит энергию химической реакции сжигания ископаемых топлив примерно в десять миллионов раз.
Ветер как источник энергии максимально может дать миру три тераватта, ГЭС и биотопливо — по одному, геотермальные источники вместе с энергией приливов и отливов дотянут только до ста гигаватт
Лекция члена Лондонского королевского общества профессора Кристофера Ллевелина Смита, организованная фондом «Династия», собрала практически полный конфернц-зал Физического института им. П.Н. Лебедева РАН
Литий вместо нефти
Суть реакции термоядерного синтеза можно описать как «слияние» лёгких ядер дейтерия и трития с получением атомов гелия-4, свободных нейтронов и выделением энергии в 17,6 мегаэлектронвольт . Для запуска термоядерной реакции смесь дейтерия и трития необходимо нагреть в специальной камере до состояния плазмы и затем до температуры свыше ста миллионов градусов, предотвращая охлаждение и загрязнение из-за реакций со стенками камеры. «Изоляцию» плазмы обеспечивает магнитное поле, нагрев до необходимой температуры — электрический ток и радиочастотное излучение.
Первый из двух «топливных элементов» в реакции термоядерного синтеза — дейтерий — можно получать из воды. Другой элемент — тритий — понадобится только для запуска процесса. Затем он станет синтезироваться в установке. Согласно технологии, выделяющиеся в реакции слияния дейтерия и трития нейтроны попадут в оболочку камеры и будут «бомбардировать» специально помещённый туда литий. А продуктами реакции в оболочке станут гелий и тритий в количествах, достаточных для воспроизводства термоядерного синтеза. Для получения 200 тысяч киловатт-час электроэнергии достаточно дейтерия, в среднем содержащегося в 45 литрах воды, и лития, который содержит аккумулятор материнской платы компьютера, уточнил Кристофер Смит.
Установку для термоядерного синтеза нобелевский лауреат по физике Игорь Тамм и академик Андрей Сахаров изобрели ещё в 1950 году. Впоследствии она получила название «токамак» (ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками), а первый токамак был построен в Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова в 1956 г. С начала семидесятых экспериментальные установки стали создавать во всех ведущих странах мира. Однако по-настоящему крупный термоядерный реактор ITER (см. справку STRF), эксперименты на котором могут открыть перспективы коммерческой термоядерной энергетики, еще только начал строиться, он будет запущен не ранее 2018 года. Как особо отметил Кристофер Смит, до настоящего времени термоядерная энергетика просто не была достаточно востребована. Даже проект ITER в конце девяностых годов был фактически заморожен на несколько лет из-за проблем с финансированием.
Справка STRF:
ITER — проект международного экспериментального термоядерного реактора (International Thermonuclear Experimental Reactor) типа «токамак», начавшийся ещё в 1985-м году. В настоящее время участники ITER: Европейское сообщество по атомной энергии (Евратом), Индия, Китай, Республика Корея, консорциум России и Казахстана, США, Канада, Япония. В 2007 году под городом Кадараш на юге Франции в рамках проекта началось строительство реактора, которое планируется завершить в 2018-м году. Мощность установки составит 500 мегаватт. Получение дейтерий-тритиевой плазмы намечено на 2026-й год. 24 октября 2007 года официально вступило в силу Соглашение о создании Организации ИТЭР, подписанное представителями всех участников проекта. Его общая стоимость оценивается в 12 миллиардов долларов.
Цена энергии и цена вопроса
Общие затраты на международный проект ITER составят примерно 12 миллиардов долларов США. По оценкам г-на Смита, если он завершится успешно, термоядерные электростанции могут заработать уже примерно через 40 лет. КПД составит 90 процентов, вреда экологии не будет никакого (если исключить крупные аварии), стоимость производимой электроэнергии едва ли превысит 12 евроцентов, а затраты на строительство термоядерных станций будут сопоставимы с ценой возведения АЭС (правда, если построить атомную станцию можно за четыре миллиарда долларов, то термоядерную — уже за пять-десять). Однако стопроцентной уверенности в успехе у учёных пока нет.
Для получения 200 тысяч киловатт-час электроэнергии методом термоядерного синтеза в токамаках достаточно дейтерия, в среднем, содержащегося в 45 литрах воды и лития, который содержит аккумулятор материнской платы компьютера
Во-первых, для строительства «рабочих камер» термоядерных электростанций необходимы материалы, которые в течение нескольких лет смогут непрерывно выдерживать «бомбардировку» нейтронами и не разрушаться. Эксперименты на ускорителях заряженных частиц показали, что некоторые сорта стали объёмно-центрированной структуры вполне подходят для этого, но данных исследований недостаточно. Для полноценных испытаний необходимо два специальных ускорителя мощностью пять мегаватт. Разгон в них ядер дейтерия (дейтронов) до энергии в 40 мегаэлектронвольт и направление их пучка в мишень из жидкого лития позволит получить нейтроны с необходимыми характеристиками и тем самым смоделировать «бомбардировку» ими оболочек рабочих камер будущих термоядерных электростанций. Использовать сам реактор ITER как испытательную площадку не получится, так как он не «дотянет» по мощности до будущих станций и не сможет работать непрерывно. Затраты на такие испытательные ускорители добавят к стоимости проекта еще миллиард евро, а положительный результат испытаний наверняка не может предсказать никто. Есть вероятность, что для коммерческих токамаков придётся придумывать новые материалы. Во-вторых, неоднозначной для перспектив термоядерной энергетики остаётся обнаруженная уже после изобретения этих установок способность горячей плазмы дейтерия и трития к генерации собственного тока. С одной стороны, можно ожидать, что до 80 процентов тока, необходимого для удержания плазмы в реакторе (по расчетам для реактора ITER), будет возникать на основе этого эффекта, что потребует гораздо меньше энергии на поддержание рабочего режима токамака. Но с другой, если этим самогенерирующимся в плазме током не смогут управлять, подобные проблемы вообще могут «похоронить» перспективы данных установок в коммерческой термоядерной энергетике. И тогда придётся возвращаться к идее так называемых стеллараторов, несопоставимо более дорогих и сложных в конструировании и строительстве, чем токамаки.
Общие затраты на международный проект ITER составят примерно 12 миллиардов долларов. По оценкам г-на Смита, если он завершится успешно, термоядерные электростанции могут заработать уже примерно через 40 лет
Впрочем, как отметил профессор Смит, «будем надеяться, что никаких крупных и неожиданных сюрпризов на пути развития термоядерной энергетики не будет». Оправдает или разрушит надежды сэра Кристофера Ллевелина Смита и других сторонников развития термоядерной энергетики международный проект общей стоимостью 13,3 миллиарда долларов.
