Технология ядерного синтеза обещает стать лучшим источником энергии для человечества. И хотя начало ее практического использования все еще остается на далеком горизонте, но она уже столкнулась с топливным кризисом. Ядерный синтез столкнулся с дефицитом трития – основного топлива для самых выдающихся реакторов ядерного синтеза.
На юге Франции ITER понемногу близится к концу. Когда его наконец-то полностью включат в 2035 году, Международный термоядерный экспериментальный реактор станет крупнейшим устройством такого типа, когда-либо построенным, и флагоносцем ядерного синтеза. Хотя ITER уже называют величайшим обманом.
«По пальцам» реакторы типа токамак, включая ITER, сбивают вместе два изотопа водорода — дейтерий и тритий. При успешном столкновении двух атомов высвобождается куча энергии значительно больше, чем при реакции разделения ядра атома, используемого на современных атомных электростанциях.
Ядерный синтез генерирует «чистую» и «зеленую» энергию и так много, что его можно назвать безграничным источником.
Проблема состоит в том, что к тому времени, когда ИТЕР будет готов, может не остаться достаточно топлива для его работы.
Дейтерий можно извлечь из морской воды, но тритий – радиоактивный изотоп водорода – встречается невероятно редко.
Атмосферный уровень достиг пика в 1960-х годах, до запрета на испытание ядерного оружия, и, согласно последним оценкам, сейчас на Земле менее 20 кг трития.И поскольку построение ITER идет уже более трех десятилетий и значительно отстает от графика и на миллиарды превышает бюджет, наши лучшие источники трития для него и других термоядерных реакторов медленно исчезают.
В настоящее время тритий для экспериментов по термоядерному синтезу происходит из специфического типа ядерного реактора деления, который называется тяжеловодным медленным реактором. Жизненный цикл многих таких реакторов подходит к концу и во всем мире осталось работать менее 30 реакторов: 20 в Канаде, четыре в Южной Корее и два в Румынии. Каждый производит около 100 граммов трития в год.
Но это не жизнеспособное долгосрочное решение, ведь суть ядерного синтеза состоит в том, чтобы отказаться от более «грязной» технологии атомных электростанций.
«Было бы абсурдом использовать грязные реакторы разделения для питания «чистых» термоядерных реакторов», — говорит Эрнесто Маццукато, физик на пенсии, откровенный критик ИТЕР и ядерного синтеза в целом.
Вторая проблема трития состоит в том, что он быстро распадается. Его период полураспада составляет 12,3 года – когда ITER будет готов начать работу, половина доступного сегодня трития распадется на гелий-3.
Теперь тритий превратился из нежелательного побочного продукта ядерного деления, который нужно было тщательно утилизировать, по некоторым оценкам, самое дорогое вещество на Земле.
Тритий стоит 30 000 долларов за грамм, и, по оценкам, работающим термоядерным реакторам понадобится до 200 кг топлива в год. Что еще хуже, тритий также нужен для ядерного оружия, делая его более мощным.В 1999 году Пол Резерфорд, исследователь Принстонской лаборатории физики плазмы, опубликовал статью, в которой предусматривал эту проблему и описывал «тритиевое окно» — приятную точку, где запасы трития достигают максимума, прежде чем уменьшаться в результате отключения тяжеловодных реакторов.
Сейчас мы находимся в этой приятной точке, но ИТЕР, отстающий почти на десятилетие от графика, не может воспользоваться этим.
«Если бы ITER делал дейтериево-тритиевую плазму, как мы планировали около трех лет назад, все бы получилось хорошо, – говорит Скотт Уилмс, руководитель отдела топливного цикла в ITER. – Приблизительно сейчас мы достигаем пика этого тритиевого окна».
Ученые десятилетиями знали об этой тритиевой проблеме, и они разработали точный способ его добывать. Термоядерные реакторы должны сами создавать тритий, чтобы пополнять собственное топливо одновременно с его сжиганием. Технология Breeder предусматривает обертывание термоядерного реактора «одеялом» из лития-6, который будет генерировать тритий.
«Расчеты свидетельствуют о том, что должным образом сконструированное множительное одеяло могло бы обеспечить достаточно трития для того, чтобы электростанция была самообеспеченным топливом, с небольшим избытком для запуска новых электростанций», — говорит Стюарт Уайт, представитель британской атомной компании.
Разведение трития изначально планировалось опробовать в рамках ITER, но поскольку расходы на него выросли с начальных 6 миллиардов долларов до более чем 25 миллиардов долларов, от этого тихо отказались. Работа Уилмса в ITER состоит в том, чтобы управлять тестами меньшего масштаба.
Вместо полной литиевой оболочки, окружающей термоядерный реактор, ITER будет использовать образцы лития размером с чемодан, вставленный в «порты» вокруг.
Даже Уилмс признает, что эта технология еще далека от готовности к использованию, и полномасштабное испытание разведения трития придется подождать до следующего поколения реакторов, которое, по мнению некоторых, может быть слишком поздним.
«После 2035 года мы должны построить новую машину, которая займет еще 20 или 30 лет для испытания важной задачи как производить тритий, и как мы собираемся блокировать и останавливать глобальное потепление с помощью термоядерных реакторов, если мы не будем готовы к концу этого века?» – говорит Мацукато.Существуют другие способы создания трития – активное введение материала для размножения в ядерные реакторы разделения или обжига нейтронов в гелий-3 с помощью линейного ускорителя. Но эти методы слишком дорогостоящи, чтобы использовать их в необходимых количествах, и они, скорее всего, останутся резервными.
Уиллмс говорит, что в идеальном мире существовала бы более амбициозная программа, которая разрабатывала бы технологию размножения параллельно с ИТЕР, чтобы к тому времени, как ИТЕР заработает, еще был источник топлива для его работы.
«Мы не хотим, чтобы автомобиль изготовили, а для него не было бензина», — говорит он.
Проблема трития подпитывает скептицизм в отношении ITER и проектов термоядерного синтеза дейтерий-тритий (D-T) в целом. Дейтерий и тритий выбрали потому, что они сливаются при относительно низкой температуре – с ними проще всего работать, и это имело смысл в начале. Тогда все остальное казалось невозможным.
Но теперь с помощью управляемых магнитов, которые помогают ограничить реакцию термоядерного синтеза, и прогресса в материаловедении некоторые компании ищут альтернативы. Калифорнийская компания TAE Technologies пытается построить термоядерный реактор, использующий водород и бор, который, по ее словам, станет более чистой и практичной альтернативой синтезу D-T.
К 2025 году фирм стремится достичь чистого прироста энергии — когда реакция термоядерного синтеза создает больше энергии, чем она потребляет. Бор можно извлечь из морской воды, и это имеет дополнительное преимущество, поскольку не облучает машину, как это делает синтез D-T.Генеральный директор TAE Technologies Михл Биндербауэр говорит, что это более коммерчески жизнеспособный путь к масштабируемой термоядерной энергетике.
Но основное сообщество термоядерного синтеза все еще надеется на ITER, несмотря на потенциальные проблемы со снабжением его ключевого топлива.
«Ядерный синтез действительно очень сложный, и что угодно, кроме дейтерия-трития, будет в 100 раз сложнее, — говорит Уилмс. – Через столетие, возможно, мы сможем поговорить о чем-то другом».
По материалам: Wired
