Ще синтезираме ли безплатна енергия?

Човечеството чака повече от половин век появата на истински термоядрен реактор за произвеждане на океани от почти безплатна енергия. И тъй като темата гранични с мечтите за "светло бъдеще", а очакванията са невероятно високи, неминуемо възникват множество конспиративни теории за това, че технологията е създадена отдавна, но нефтените магнати скриват изобретението от човечеството съвсем умишлено - за да не загубят свръхголемите си печалби.

Дали има конспирации или не, е съвсем отделна тема. Но дори някои от тях да са истина, главният въпрос в случая си остава, а той е: кога човечеството може да очаква истинското овладяване на термоядрената енергия, която днес познаваме единствено във вида на мощните страховити експлозии на водородни бомби.

Слънчевата пещ

Термоядрената реакция (или още наричана ядрена реакция на синтеза), при която се осъществява сливане на по-леки ядра в по-тежки, е описана от физиците още през 1910 година. Най-напред тя е наблюдавана от английския учен Ърнест Ръдърфорд. През 1919 година той сблъсква с голяма скорост атоми на хелий с азот, получавайки водород и тежък кислород. Пет години след това успешно провежда синтез на свръхтежкия изотоп на водорода - тритий, от ядра на по-лекия изотоп деутерий.

Някъде по същото време астрофизикът Артър Едингтън изказва смелата за онези времена хипотеза, че звездите горят в продължение на милиарди години благодарение на протичащите във вътрешността им термоядрени реакции. Това предположение става факт през 1937 година, когато американецът Ханс Бете доказва протичането на термоядрени реакции в нашата звезда - Слънцето.

Идеята за възпроизводство на "слънчевата пещ" на Земята принадлежи на японския физик Токутаро Хагивара, който през 1941 година изказва предположението за възможността на възбуждане на термоядрена реакция между атоми на водорода с помощта на взривна верижна реакция при деленето на урановите ядра. Или това ще рече ядрен взрив (атомна бомба), която, взривявайки се, създава условия (свръхвисока температура) за началото на термоядрен синтез. Такава идея изказва и прочутият Енрико Ферми, участник в проекта за създаване на американската атомна бомба. През 1946 година под ръководството на Едуард Телър в лабораторията на Лос Аламос стартира научен проект за използването на термоядрената енергия (не за бомби!).

Няколко години по-късно, на 1 ноември 1952 година американските военни взривяват първото в света термоядрено устройство, т. нар. водородна бомба, в района на тихоокеанския атол Ениветок. През следващата година СССР също създава и успешно детонира водородна бомба. Така че, погледнато фактически, човечеството използва термоядрен синтез от повече от 60 години насам, само че... за разрушителни цели. Няма ли начин това огромно количество енергия да се използва рационално?

Повелителите на плазмата

Ето и малко повече информация за самата технология. От гледна точка на енергетиката оптималната температура на плазмата (състоянието на материята, което се получава при термоядрените реакции) е от порядъка на 100 милиона градуса. Само че тази температура е няколко пъти по-висока от тази в ядрото на Слънцето! Как можем да се справим с подобно нещо?

Физиците предлагат тази свръхгореща плазма да се удържа вътре специални магнитни капани. В началото на 50-те години на миналия век Андрей Сахаров и Игор Там пресмятат конфигурацията на магнитните полета, способни да удържат плазмата в тънка нишка и да възпрепятстват падането и върху стените на камерата. Именно на база тези изчисления впоследствие са създадени множество такива лабораторни установки от тип "Токамак".

Ето и какво значи терминът ТОКАМАК. Счита се, че той е възникнал като абревиатура на фразата ТОроидална КАмера с МАгнитни Бобини. На руски език "бобина" е "катушка", така че не се чудете защо последната буква в моя превод е "Б".

Основен елемент от конструкцията е именно бобината, която трябва да създава изключително силно магнитно поле. Работната камера на "Токамак" се запълва със специален газ, а когато се освободи мъничък отвор, под действието на вихровите полета се развива усилена йонизация на газа в камерата, което го превръща в плазма. След това се образува плазмена нишка, движеща се надолу в тороидалната камера. Магнитните полета поддържат нишката в равновесие и придават форма, която не позволява да се докосва до стените и да ги прогори.

В наши дни в лабораторните "Токамак" устройства е достигната температура на плазмата до страховитите 520 милиона градуса! Но и това е само началото на пътя. "Токамак" сам по себе си не е електростанция, а точно обратното - той изсмуква енергия, а нищо не отдава в замяна. Затова истинската термоядрена електростанция трябва да се създава с идеята да работи точно в обратната посока.

Една от най-важните задачи за физиците е да определят точния вид на използваното "гориво". Почти идеална за енергиен реактор е реакцията на база сливането на ядра на изотопи на водорода - деутерий и тритий, в резултат на което се образува ядро на хелий 4 плюс 1 неутрон. За източници на деутерий всички ние разполагаме с... морска вода! А тритий се получава най-лесно от облъчения с неутрони литий.

След това плазмата трябва да се нагрее до 100 милиона градуса и силно да се сгъсти, оставайки в това състояние за дълъг период време. Но всички тези неща от гледна точка на инженерното проектиране са доста сложни и скъпи. Именно заради тези пречки развитието на този тип енергетика се задържа от години насам. Освен това държавите не са били готови за финансирането на толкова крупен проект, допреди да дойдат сериозни доказателства за успех.  

ITER - път към бъдещето

Гигантът СССР, където преди години се строяха уникалните "Токамак", вече отдавна не съществува, но идеята за овладяване на термоядрената енергия не е загинала. А водещите държави в областта вече знаят, че решаването на този проблем е възможно само и единствено с обединени усилия.

Изграждането на първия експериментален термоядрен реактор, пригоден да създава истинска електроенергия, вече е в ход. Той се намира в Кадараш - югоизточна Франция, а за осъществяването на този революционен проект сили са обединили Русия, САЩ, Европейският съюз, Япония, Китай, Южна Корея, Индия и Казахстан.

Ако трябва да сме точни, инсталацията, която ще бъде построена там, няма скоро да заработи като истинска термоядрена електростанция, но ще доближи човечеството до нейната истинска поява. Тя се нарича ITER вероятно неслучайно. Абревиатурата означава International Thermonuclear Experimental Reactor, но тя има и символичен смисъл, защото на латински iter означава "път". Така че реакторът в Кадараш има за цел да постави пътя към термоядрената енергия на бъдещето, която ще обезпечи оцеляването на човешката раса след изчерпването на невъзобновяемите горива.

ITER ще бъде построен по следния начин. В централната му част се разполага тороидална камера с обем от около 2000 кубични метра, запълнена с тритий-деутериева плазма, нагрята до температура повече от 100 милиона градуса. Образуващите се при реакциите на синтез неутрони напускат магнитната "бутилка" и през тази първа бариера попадат в свободното пространство отстрани с размер около 1 метър. Вътре в него неутроните се сблъскват с литиеви атоми, в резултат на което се случват реакции с образуване на тритий - необходим не само за работата на ITER, но и за други реактори, които ще бъдат построени в бъдеще.
При този процес първата степен се нагрява от неутроните до 400 градуса по Целзий. Отделената топлина, както при традиционните електростанции, се отнема чрез първичен охлаждащ контур с топлоносител (съдържащ например вода или хелий) и се предава на вторичен контур, където се произвежда водна пара. От своя страна тя отива към турбините, произвеждащи електричество.

Инсталацията на ITER е една истинска мегамашина. Нейното тегло е около 23 000 тона, вътрешният радиус на тороидалната камера е 2 метра, а външният - повече от 6 метра.

Строителството на реактора вече е в действие от няколко години, но кога точно ще бъде получен първият положителен добив на енергия, не е ясно. Според плановете ITER може да произвежда 200 000 киловатчаса енергия - еквивалент на тази, съдържаща се в 70 тона въглища. Необходимото за това количество литий се съдържа в една минибатерия за компютър, а количеството деутерий - в 45 литра вода! И на всичко отгоре добивът на тази енергия ще бъде напълно екологичен и незамърсяващ!

Ако изчислим съвсем грубо идеята, то деутерий от вода може да се добива милиони години наред, а запасите на леснодобиваемия литий са напълно достатъчни за стотици години напред. А дори и той да се изчерпа в един момент, физиците ще могат да го добиват от морската вода.

Любопитни факти

Като за финал ето и малко интересни любопитни факти, от сайта на ITER - www.iter.org

100 000 километра кабел
Свръхпроводниковата система на ITER е съставена от около 100 000 километра жица от калай-ниобиева сплав (Nb3Sn). Те образуват така необходимите тороиди, генериращи държащото плазмата магнитно поле. Изработва се в различни държави от Европа, Китай, Япония, Корея, Русия и САЩ още от 2009 година насам. Ако разпънете тези жици по дължина, те ще обиколят повече от два пъти Земята по екватора.

104 километра специален път
Най-тежките компоненти от ITER ще бъдат доставени до най-близкото средиземноморско пристанище и след това ще бъдат транспортирани на 104 километра по специално изграден път, наречен Пътят на ITER. Размерите на тези компоненти са внушителни. Най-тежкият ще тежи близо 900 тона заедно с превозното средство, а най-обемният ще е висок колкото 4-етажна сграда. Някои части ще са дълги цели 33 метра.

150 милиона градуса
Температурата на повърхността на нашето Слънце е 6000 градуса. А на ядрото му - 15 милиона. Температурата се комбинира с огромното налягане в неговото ядро, за да се получат условията, нужни за термоядрен синтез. И понеже тези гравитационни условия не могат да бъдат пресъздадени на Земята, са нужни много по-високи температури, за да компенсират процеса. Затова "Токамак" устройството на ITER ще достига температура от 150 милиона градуса по Целзий - 10 пъти повече от тази в ядрото на Слънцето.

23 000 тона
ITER ще тежи цели 23 000 тона. Ако сравним това количество метал с този в Айфеловата кула (7300 тона), излиза, че реакторът ще тежи колкото три Айфелови кули. Вакуумният съд, обхващащ реактора, заедно с тръбите и другите инсталации ще тежи още 8000 тона. А в цялата тази сложна машина ще има вградени около 1 милион отделни компонента!

2 пъти по-голяма подемна сила от совалка
Структурата на централния соленоид на ITER е огромен, тежък 1000 тона електромагнит. Той ще е достатъчно мощен, за да се сравни с мощта на цели две космически совалки и тяхната подемна сила. Изчислява се, че магнитът ще има мощност от 60 меганютона, или изчислено в полезен товар за извеждане в Космоса - около 6000 тона!

400 000 тона
Сеизмичната плоча, която ще държи цялата установка, трябва да бъде наистина сериозна. Основата, върху която се разполага всичко, тежи около 400 000 тона, включително конструкциите върху нея.

5000 човека
По време на пиковата активност около строежа на ITER, която се очаква да бъде през 2018 - 2019 година, около 5000 души ще бъдат ангажирани да работят по строежите. Към 2014 година техният общ брой (работници + друг персонал) е бил само 1400.

500 мегавата
Целта на програмата ITER е да произвежда повече енергия от вложената и да демонстрира полезността на бъдещите реактори от този тип. ITER е проектирана да произвежда 500 мегавата изходна енергия срещу 50 мегавата входна. Повече от десет пъти полезна енергия, буквално идваща "отникъде". Днешният рекорд за изработена изходна енергия е само 16 мегавата и се държи от установката в Кулъм, Великобритания.