Pin1WhatsAppRedditShareEmailTweet1 Shares
Чалавецтва доўгі час імкнулася да мары аб тэрмаядзернай энергіі. Мы асвоілі дзяленне ядра некалькі дзесяцігоддзяў таму, і з таго часу ядзерная энергетыка добра нам служыла, за выключэннем таго, што ў яе жудасная рэпутацыя, таму што, калі ў працы ядзернай энергіі ўзнікаюць праблемы, як у Чарнобылі і Фукусіме, наступствы аказваюцца вельмі сур'ёзнымі.
Нягледзячы на буйныя аварыі, атамная энергія на самой справе з'яўляецца адным з самых бяспечных даступных крыніц энергіі, нараўне з сонечнай і ветравой. Атамная энергія прыводзіць да на 99,9% меншай колькасці смерцяў, чым вугаль. Нафта і газ амаль такія ж небяспечныя, як вугаль. Атамная энергія, асабліва сучасная атамная энергетыка, значна больш эфектыўная за любую іншую крыніцу энергіі.
Сучасная атамная энергетыка таксама адрозніваецца высокай эфектыўнасцю з пункту гледжання ўтварэння адходаў. Большая частка адходаў можа быць перапрацавана, і за год эксплуатацыі атамныя электрастанцыі вырабляюць усяго 3 кубічныя метры адходаў. Для параўнання, вугальная электрастанцыя за той жа час вырабляе 300000 тон попелу і шэсць мільёнаў тон CO2.
Усё гэта прымушае ядзерную энергетыку гучаць даволі прывабна. А зараз уявіце, што замест дзялення атамаў выкарыстоўваецца тэрмаядзерная энергія. У чатыры разы больш энергіі дзялення, і адзіным адходам з'яўляецца гелій, які не радыеактыўны. У чатыры мільёны разоў больш энергіі вугалю.
Магчыма, вы чулі, як тэрмаядзерны сінтэз называюць бязмежнай энергіяй. Гэта недалёка ад ісціны, за выключэннем патэнцыйных выдаткаў, звязаных з ім. Але калі мы пераадолеем гэтыя перашкоды, калі зможам асвоіць тэрмаядзерны сінтэз, мы назаўжды зменім увесь свет. Але пакуль што ў нас гэтага няма.
Праектаванне тэрмаядзерных рэактараў пачалося яшчэ ў 1939 годзе, але, відавочна, істотнага прагрэсу дасягнута не было. Мы разумеем перавагі і навуковыя асновы, але практычная рэалізацыя так і не адбылася. Мы нават можам ствараць тэрмаядзерныя рэакцыі, але падтрымліваць іх і выкарыстоўваць да гэтага часу не атрымоўваецца. Дык ці адбудзецца гэта калі-небудзь? Паглядзім!
Што такое Fusion?
Тэрмаядзерная энергія, якой бы складанай яна ні была для стварэння на Зямлі, цалкам рэальная і праўдападобная. Менавіта яна сілкуе Сонца. Высокі ціск і тэмпература на Сонца здольныя аб'ядноўваць атамы вадароду і ўтвараць у якасці пабочнага прадукта гелій. Энергія, якая выдаткоўваецца ў гэтай рэакцыі, і з'яўляецца прычынай таго, што Сонца ўяўляе сабой той гіганцкі, палаючы шар плазмы, які мы бачым у небе кожны дзень.
Дзяленне атама, якое адбываецца ў сучасных ядзерных рэактарах, а таксама ў ядзернай зброі, уяўляе сабой расшчапленне атама, а не яго зліццё. У абодвух выпадках вызваляецца неверагодная энергія, паколькі маса які ўтварыўся ядра менш масы якія рэагуюць ядраў.
Аднойчы Сонца згасне, калі ў яго скончыцца паліва, неабходнае для яго існавання, але зараз у ім дастаткова вадароду, каб хапіла яшчэ на пяць мільярдаў гадоў, так што ў бліжэйшы час гэта не стане для нас вялікай праблемай.
Для таго каб тэрмаядзерны сінтэз працаваў тут, на Зямлі, нам патрэбная рэакцыя, якая дасць нам больш энергіі, чым мы ў яе затрачваем. У гэтым і праблема. Для пачатку тэрмаядзернай рэакцыі патрабуецца шмат энергіі. Неабходна стварыць плазму, якая ўяўляе сабой вельмі гарачы газ, напоўнены зараджанымі часціцамі. Амаль кожная наша спроба выклікаць тэрмаядзерную рэакцыю да гэтага часу патрабавала больш энергіі для стварэння ціску і тэмпературы, неабходных для ўтварэння плазмы, чым мы змаглі атрымаць у выніку малюсенькай тэрмаядзернай рэакцыі, якая адбылася пасля. Памятайце, што Сонца ў 333 000 разоў больш Зямлі, таму ціск і тэмпература там (якія дасягаюць 27 мільёнаў градусаў) значна ніжэй.
Ці магчыма ўвогуле стварыць тэрмаядзерны генератар?
На Зямлі можна здзейсніць тэрмаядзерны сінтэз, але гэта складана. Ціск на Сонцы складае 24,7 мільёна гігапаскаляў. Для параўнання, аднойчы навукоўцы ў лабараторыі стварылі ў лабараторыі ціск у 770 гігапаскаляў, што стала міжнароднай сенсацыяй. Гэта фундаментальная перашкода на шляху да таго, каб тэрмаядзерны сінтэз працаваў тут гэтак жа лёгка, як на Сонца. Мы не можам нават падалена наблізіцца да стварэння такога ж ціску. Гэта азначае, што нам трэба падвысіць тэмпературу, але для гэтага патрабуецца значна больш энергіі, што і руйнуе рэакцыю. Калі на стварэнне тэрмаядзернага сінтэзу сыходзіць гэтулькі энергіі, што яе нядосыць для атрымання выніку, то ён бескарысны.
Памятайце, мы казалі, што Сонца можа генераваць тэмпературу да 27 мільёнаў градусаў? Гэта гучыць узрушаюча, пакуль вы не пачуеце, што нам даводзіцца рабіць у лабараторыях, каб паспрабаваць стварыць тэрмаядзерны сінтэз. На Зямлі, выкарыстоўваючы лазеры для кампенсацыі недахопу ціску, мы награваем плазму да 100 мільёнаў градусаў.
Гэты працэс працуе, і ў лабараторных умовах мы шмат разоў паспяхова выкарыстоўвалі тэрмаядзерны сінтэз. Праблема ў тым, што для атрымання тэмпературы ў 100 мільёнаў градусаў патрабуецца больш энергіі, чым дае тэрмаядзерны сінтэз. Таксама можна з упэўненасцю сказаць, што калі тэрмаядзерны сінтэз будзе распрацаваны такім чынам, што гэта стане магчымым, ён спачатку будзе надзвычай дарагім. Гэта стварае сур'ёзную перашкоду на шляху да мары аб неабмежаваных энергетычных рэсурсах.
Цяпер у свеце налічваецца каля 20 тэрмаядзерных рэактараў, якія працуюць над стварэннем устойлівай тэрмаядзернай рэакцыі, якая не патрабуе больш энергіі, чым вырабляе. У 2022 годзе навукоўцы ўпершыню дабіліся гэтага. Яны выкарыстоўвалі два мегаджоўлі энергіі для харчавання 200 лазераў, сфакусаваных на адной паліўнай капсуле. Тэрмаядзерная рэакцыя пачалася і зрабіла 3,15 мегаджоўля энергіі. Гэта невялікая, але пасьпяховая рэакцыя. Яна была паўторана яшчэ тры разы, адзін раз з вынікам у 3,88 мегаджоўля, што даказвае, што гэта не выпадковасць.
Таксама ў 2022 годзе лабараторыя ў Кітаі пабіла рэкорд па працягласці ўстойлівай рэакцыі. Ім удалося дабіцца таго, каб рэакцыя доўжылася 17 хвілін пры тэмпературы 126 мільёнаў градусаў. Пазней лабараторыя ў Вялікабрытаніі зрабіла 59 мегаджоуляў устойлівай энергіі, што ўдвая перавысіла папярэдні рэкорд. У 2024 годзе было выраблена 69 мегаджоуляў. На практыцы гэта няшмат, дастаткова толькі для 4 гарачых ваннаў. Існуе некалькі планаў па стварэнні працуючых тэрмаядзерных генератараў да 2030 года.
Для таго каб гэта стала жыццяздольным, неабходна значна павялічыць маштабы вытворчасці. Для забеспячэння гарадоў электраэнергіяй неабходна выпрацоўваць значна больш энергіі. Але перспектывы ёсць, і чакаецца, што гэта адбудзецца найбліжэйшым часам.
Чаму мы так моцна гэтага жадаем?
Нездарма тэрмаядзерны сінтэз завуць патэнцыйна бязмежнай крыніцай энергіі. Ён працуе на вадародзе, самым распаўсюджаным элеменце ў Сусвеце.
Выкажам здагадку, у нас ёсць усталёўка, свайго роду тэрмаядзерны рэактар, які быў бы стабільным і надзейным і вырабляў бы высокаэфектыўную тэрмаядзерную энергію. Аднаго галона марской вады хапіла б для вытворчасці энергіі, эквівалентнай энергіі 300 галёнаў бензіну. Не было б неабходнасці ў вугле, які вырабляе брудны дым, або ва ўране, які выпраменьвае радыяцыю. Толькі чыстае, даступнае паліва і ніякіх небяспечных пабочных прадуктаў.
Сонечная і ветравая энергія таксама могуць пахваліцца чыстай вытворчасцю энергіі, але яны не могуць працаваць у маштабах тэрмаядзернага сінтэзу. Для ветравой і сонечнай энергіі патрабуецца значна больш інфраструктуры ў выглядзе сонечных панэляў і ветракоў. І сонечная, і ветравая энергія залежаць ад надвор'я, чаго нельга сказаць аб тэрмаядзерным сінтэзе.
Галоўная перавага выкарыстання тэрмаядзернай энергіі заключаецца ў яе ўплыве на клімат. Тэрмаядзерная энергія эфектыўна спыняе забруджванне навакольнага асяроддзя, выкліканае сучаснымі крыніцамі энергіі, у прыватнасці выкапнёвым палівам. Мы маглі б пакласці канец вытворчасці мноства небяспечных выкідаў. Кліматычны крызіс патэнцыйна можа быць вырашана з дапамогай тэрмаядзернай энергіі. Кампаніі, якія інвесціруюць у тэрмаядзерную энергетыку, прагназуюць, што да 2050 года мы зможам дасягнуць нулявога ўзроўню выкідаў вугляроду.
Той факт, што тэрмаядзерны сінтэз нашмат энергаэфектыўныя за любы існуючы спосаб вытворчасці энергіі, таксама з'яўляецца вялікай перавагай. Вытворчасць энергіі ў чатыры мільёны разоў больш эфектыўная, чым на вугальнай электрастанцыі, робіць нават разгляд магчымасці выкарыстання вугалю немэтазгодным.
Хоць энергія дзялення з'яўляецца лепшым з наяўных на дадзены момант варыянтаў, тэрмаядзерны сінтэз значна пераўзыходзіць яго не толькі па колькасці выраблянай энергіі, але і па бяспецы. Самым вялікім недахопам атамных электрастанцый зараз з'яўляецца апасенне аварыі і праблема адходаў. Тэрмаядзерныя рэактары ўхіляюць абодва гэтых фактару. Няма небяспечных адходаў, і аварыя на станцыі выключана.
Тэрмаядзерныя электрастанцыі выкарыстоўваюць неверагодна малая колькасць паліва; выкарыстоўванае дэйтэрыя або трыція памерам з паштовую марку. Калі нешта здарыцца, рэакцыя не зможа выйсці з-пад кантролю і выклікаць расплаўленне актыўнай зоны, яна проста згарыць сама сабой і спыніцца.
Яшчэ адзін важны момант: паколькі гэтыя рэактары выкарыстоўваюць вадарод, можна знізіць значную частку геапалітычнай напружанасці. Уявіце, калі б войны з-за нафты больш не вяліся, бо яна нікому не патрэбная. Патэнцыял для новай дынамікі ў глабальным маштабе цалкам рэальны. Пры гэтым нельга ігнараваць і патэнцыйнае эканамічнае ўздзеянне на розныя рэгіёны свету.
У чым небяспека тэрмаядзернай энергетыкі?
Хоць гэта і не ўяўляе небяспекі, патэнцыйным недахопам тэрмаядзернай энергетыкі на ранніх этапах яе развіцця, верагодна, стане кошт. Усё новае дорага, няхай гэта будзе новы аўтамабіль, новая гульнявая прыстаўка ці новая крыніца энергіі. Традыцыйныя крыніцы энергіі проста стануць таннейшымі. Менавіта таму мы да гэтага часу спальваем вугаль і бензін і выкарыстоўваем атамныя электрастанцыі. Інфраструктура існуе, метад вытворчасці энергіі просты для разумення, а спажыўцы прывыклі плаціць за яе пэўную цану.
Прагназуецца, што кошт тэрмаядзернага сінтэзу складзе каля 80-100 долараў за МВт · ч па цэнах 2020 года. Аднак больш рэалістычным уяўляецца варыянт, што выдаткі будуць значна вышэйшыя, да 150 даляраў за МВт·г. Па меры росту інфляцыі гэтая лічба будзе расці. Але гэта можа быць рэалістычна толькі ў свеце, дзе тэрмаядзерны сінтэз стане нормай. На пачатковым этапе даследнікі з Прынстана меркавалі, што капітальныя выдаткі на тэрмаядзерны сінтэз могуць дасягаць 7000 даляраў за квт.
Міністэрства энергетыкі ЗША ў 2021 годзе падлічыла, што міжнародны даследчы праект ITER па тэрмаядзерным сінтэзе, у рамках якога будуюцца такамакі для вывучэння і вытворчасці тэрмаядзернай энергіі, ужо каштаваў 65 мільярдаў долараў. Першапачаткова планаваўся бюджэт 5 мільярдаў долараў. Іншымі словамі, ніхто пакуль не ведае дакладны кошт тэрмаядзернага сінтэзу, але, верагодна, ён будзе вышэй, чым мы думаем.
З пункту гледжання практычных небяспек, тэрмаядзерныя рэактары могуць працаваць не так, як прынята лічыць. Сонца сінтэзуе вадарод, але на Зямлі мы разглядаем магчымасць выкарыстання дэйтэрыя і трыція, ізатопаў вадароду, паколькі яны больш рэактыўныя, чым вадарод. Трыцій не сустракаецца ў прыродзе. Ён радыеактыўны і з'яўляецца пабочным прадуктам дзялення. У канчатковым выніку тэрмаядзерная рэакцыя можа вырабляць уласны трыцій, але для пачатку яго неабходна падаваць у вялікай колькасці. Кошт аднаго грама складае каля 30 000 долараў.
Тэрмаядзерны сінтэз з выкарыстаннем гэтых ізатопаў стварае патокі нейтронаў, якія з'яўляюцца радыеактыўнымі і могуць вырабляць плутоній зброевай якасці. Такім чынам, перавага "адсутнасці адходаў" тэхнічна не адпавядае рэчаіснасці ў дачыненні да таго, як нам даводзіцца ажыццяўляць тэрмаядзерны сінтэз на Зямлі. Тым не менш, прыхільнікі паказваюць на тое, што трытый мае вельмі кароткі перыяд паўраспаду, і на тэрмаядзерных усталёўках патрабуюцца толькі нікчэмна малыя яго колькасці. Гэта ўсё яшчэ можа забяспечыць адносную бяспеку. Што тычыцца патокаў нейтронаў, то рашэнне аб тым, як экранаваць і абараняцца ад іх, яшчэ трэба вызначыць, але гэта магчыма.
Яшчэ адзін недахоп, вяртаючыся да пытання аб энергіі, складаецца ў тым, што сцвярджэнне аб чыстым прыросце энергіі, магчыма, некалькі двухсэнсоўна. У дакладзе аб прарыве ў тэрмаядзерным сінтэзе 2022 года не згадвалася, што лабараторыя выкарыстоўвала 300 мегаджоуляў энергіі для зарадкі лазераў перад іх запускам, каб атрымаць тры мегаджоулі тэрмаядзернай энергіі. Яны засяродзіліся толькі на энергіі, выкінутай у выніку фактычнага запуску, якая была меншай, чым вырабленая энергія.
Што да ролі выратавальніка свету, то тут таксама існуе праблема часавых рамак. Калі нам трэба выратаваць свет ад кліматычнага крызісу, то, паводле даных ААН, да 2050 года мы павінны дасягнуць вугляроднай нейтральнасці ва ўсім свеце. Нягледзячы на абяцанні кампаній, здаецца малаверагодным, што тэрмаядзерны сінтэз можна маштабаваць так хутка. Гэта не значыць, што яго не варта развіваць, але сцвярджаць, што ён вырашыць праблему, якую ўжо будзе занадта позна выправіць, - гэта няшчыра.
Варта таксама адзначыць, што інфармацыя аб магутнасці, якую можа вырабляць тэрмаядзерны генератар, часта завуаляваная расплывістымі фармулёўкамі. Сцвярджаецца, што ўстаноўка ITER у Францыі здольная вырабляць 500 мегават магутнасці пры спажыванай магутнасці за ўсё ў 50 мегават. Гэта гучыць як выгадны кампраміс, але 500 мегават – гэта не электрычная магутнасць, а энергія тэрмаядзернага сінтэзу ў выглядзе нейтронаў і альфа-часціц. А 50 МВт - гэта не спажываная электраэнергія, а толькі цеплавая энергія. Устаноўка спажывае значна больш электраэнергіі, каля 300-400 МВт. Такім чынам, заяўленая эфектыўнасць пакуль не дасягнута, і піяр і маркетынг скажаюць праўду.
Сонца і іншыя зоркі ў космасе, безумоўна, даказваюць, што тэрмаядзерная энергія - гэта дзіўная крыніца энергіі. Ці атрымаецца чалавецтву калі-небудзь асвоіць яе, і асвоіць такім чынам, каб гэта апраўдала затрачаныя час і намаганні, мы даведаемся не раней, чым праз некалькі гадоў.
Іншыя артыкулы, якія могуць вас зацікавіць