Технологія ядерного синтезу обіцяє стати найкращим джерелом енергії для людства. І хоча початок її практичного використання все ще залишається десь на далекому обрії, але вона уже зіткнулася з паливною кризою. Ядерний синтез зіткнувся з дефіцитом тритію – основного палива для найвидатніших реакторів ядерного синтезу.
На півдні Франції ITER потроху наближається до завершення. Коли його нарешті повністю ввімкнуть у 2035 році, Міжнародний термоядерний експериментальний реактор стане найбільшим пристроєм такого типу, коли-небудь побудованим, і прапороносцем ядерного синтезу. Хоча ITER уже називають найбільшим обманом.
«На пальцях» реактори типу токамак, включно з ITER, збивають разом два ізотопи водню – дейтерій та тритій. При успішному зіткненні двох атомів вивільняється купа енергії, значно більше, ніж при реакції поділу ядра атома, що використовується на сучасних атомних електростанціях.
Ядерний синтез генерує «чисту» та «зелену» енергію і її так багато, що його можна назвати безмежним джерелом.
Проблема полягає в тому, що до того часу, коли ІТЕР буде готовий, може не залишитися достатньо палива для його роботи.
Дейтерій можна добути з морської води, але тритій — радіоактивний ізотоп водню — зустрічається неймовірно рідко.
Атмосферний рівень досяг піку в 1960-х роках, до заборони на випробування ядерної зброї, і, згідно з останніми оцінками, зараз на Землі менше 20 кг тритію. І оскільки побудова ITER йде вже більше трьох десятиліть і значно відстає від графіка та на мільярди перевищує бюджет, наші найкращі джерела тритію для нього та інших термоядерних реакторів повільно зникають.
Наразі тритій для експериментів з термоядерного синтезу походить із дуже специфічного типу ядерного реактора поділу, який називається важководним повільним реактором. Життєвий цикл багатьох таких реакторів добігає кінця і в усьому світі залишилося працювати менше 30 реакторів: 20 у Канаді, чотири в Південній Кореї та два в Румунії. Кожен виробляє близько 100 грамів тритію на рік.
Але це не є життєздатним довгостроковим рішенням, адже суть ядерного синтезу полягає в тому, щоб відмовитися від більш «брудної» технології атомних електростанцій.
«Було б абсурдом використовувати брудні реактори поділу для живлення «чистих» термоядерних реакторів», — каже Ернесто Маццукато, фізик на пенсії, який був відвертим критиком ІТЕР і ядерного синтезу загалом.
Друга проблема тритію полягає в тому, що він швидко розпадається. Його період напіврозпаду становить 12,3 року – коли ITER буде готовий розпочати роботу, половина доступного сьогодні тритію розпадеться на гелій-3.
Тепер тритій перетворився з небажаного побічного продукту ядерного поділу, який потрібно було ретельно утилізувати, на, за деякими оцінками, найдорожчу речовину на Землі.
Тритій коштує 30 000 доларів за грам, і, за оцінками, працюючим термоядерним реакторам знадобиться до 200 кг палива на рік. Що ще гірше, тритій також потрібний для ядерної зброї, роблячи її потужнішою.
У 1999 році Пол Резерфорд, дослідник Прінстонської лабораторії фізики плазми, опублікував статтю, в якій передбачав цю проблему та описував «тритієве вікно» — приємну точку, де запаси тритію досягають максимуму, перш ніж зменшуватись внаслідок вимкнення важководних реакторів.
Зараз ми перебуваємо в цій приємній точці, але ІТЕР, який відстає майже на десятиліття від графіка, не може скористатися цим.
«Якби ITER робив дейтерієво-тритієву плазму, як ми планували близько трьох років тому, все б вийшло добре, — каже Скотт Вілмс, керівник відділу паливного циклу в ITER. – Приблизно зараз ми досягаємо піку цього тритієвого вікна».
Вчені десятиліттями знали про цю тритієву проблему, і вони розробили влучний спосіб його видобувати. Термоядерні реактори мали самі створювати тритій, щоб поповнювати власне паливо одночасно з його спалюванням. Технологія Breeder передбачає обгортання термоядерного реактора «ковдрою» з літію-6, який генеруватиме тритій.
«Розрахунки свідчать про те, що належним чином сконструйована розмножувальна ковдра могла б забезпечити достатньо тритію для того, щоб електростанція була самозабезпеченою паливом, з невеликим надлишком для запуску нових електростанцій», — говорить Стюарт Вайт, речник британської атомної компанії.
Розведення тритію спочатку планувалося випробувати в рамках ITER, але оскільки витрати на нього зросли з початкових 6 мільярдів доларів до понад 25 мільярдів доларів, від цього тихо відмовилися. Робота Вілмса в ITER полягає в тому, щоб керувати тестами меншого масштабу.
Замість повної літієвої оболонки, що оточує термоядерний реактор, ITER використовуватиме зразки літію розміром з валізу, вставлених в «порти» навколо.
Навіть Вілмс визнає, що ця технологія ще далека від готовності до використання, і повномасштабне випробування розведення тритію доведеться почекати до наступного покоління реакторів, яке, на думку деяких, може бути занадто пізнім.
«Після 2035 року ми повинні побудувати нову машину, яка займе ще 20 або 30 років для випробування важливого завдання як виробляти тритій, тож як ми збираємося блокувати та зупиняти глобальне потепління за допомогою термоядерних реакторів, якщо ми не будемо готові до кінця цього століття?» — каже Мацукато.
Існують інші способи створення тритію — активне введення матеріалу для розмноження в ядерні реактори поділу або випалювання нейтронів у гелій-3 за допомогою лінійного прискорювача. Але ці методи занадто дорогі, щоб використовувати їх у необхідних кількостях, і вони, швидше за все, залишаться резервними.
Віллмс каже, що в ідеальному світі існувала б більш амбітна програма, яка розробляла б технологію розмноження паралельно з ІТЕР, щоб до того часу, як ІТЕР запрацює, ще було джерело палива для його роботи.
«Ми не хочемо, щоб автомобіль виготовили, а для нього не було бензину», — каже він.
Проблема тритію підживлює скептицизм щодо ITER і проектів термоядерного синтезу дейтерій-тритій (D-T) загалом. Дейтерій та тритій обрали тому, що вони зливаються при відносно низькій температурі — з ними найпростіше працювати, і це мало сенс на початку. Тоді все інше здавалося неможливим.
Але тепер, за допомогою керованих магнітів, які допомагають обмежити реакцію термоядерного синтезу, і прогресу в матеріалознавстві деякі компанії шукають альтернативи. Каліфорнійська компанія TAE Technologies намагається побудувати термоядерний реактор, який використовує водень і бор, який, за її словами, стане більш чистою та практичнішою альтернативою синтезу D-T.
До 2025 року фірмв прагне досягти чистого приросту енергії – коли реакція термоядерного синтезу створює більше енергії, ніж вона споживає. Бор можна витягти з морської води, і це має додаткову перевагу, оскільки не опромінює машину, як це робить синтез D-T. Генеральний директор TAE Technologies Міхл Біндербауер каже, що це більш комерційно життєздатний шлях до масштабованої термоядерної енергетики.
Але основна спільнота термоядерного синтезу все ще покладає надії на ITER, незважаючи на потенційні проблеми з постачанням його ключового палива.
«Ядерний синтез справді, дуже складний, і будь-що, крім дейтерію-тритію, буде у 100 разів складніше, — каже Вілмс. – Через століття, можливо, ми зможемо поговорити про щось інше».
За матеріалами: Wired
