Что там с термоядом?

И в продолжение вот этого поста иллюстрация на тему того, почему техническая революция сегодня это очень сложно и крайне дорого. Т.е. чё там с термоядом?

Принципиальная идея покорить на благо человечества ядерный синтез уже в 50-е не казалась какой-то дичью. В ведущих странах мира тогда стартовали исследования с целью создания термоядерных реакторов. В чём их преимущество: в практически бесконечности топлива для него — трития и дейтерия, а также отсутствии выбросов СО2 или радиоактивной дичи, как у атомных реакторов. Но если в 1950-е казалось, что мы уже стоим на пороге скорого внедрения управляемого термояда (управляемого, потому что неуправляемая термоядерная реакция, ака термоядерная бомба, — это немножко не то), вот только чем больше ученые узнавали о термояде — тем выше становился этот порог, к началу 21 века, превратившись скорее в забор, к которому то ли лестницу надо приставлять, то ли дырку в нём проделывать. Причём история термоядерной энергетики — это тот самый случай, когда теория говорит, что МОЖНО, а практика — ВАША ТЕОРИЯ ГОВНО. В чём суть?

Очень упрощённо: термоядерная реакция требует нагрева топлива до зажигания плазмы и удержания этой плазмы в устойчивом состоянии. Так вот, в первые десятилетия проблема стояла в том, чтобы просто зажечь реакцию, а для этого необходимы были плотности энергии, недостижимые в те времена. С этой проблемой справились, но начались проблемы с удержанием плазмы: она тупо отказывалась вести себя так, как было предсказано теорией. Главной проблемой были постоянные срывы плазмы (джиттеры) на стенки камеры, которые гасили цепную реакцию. Чем больше были потоки энергии и температура плазмы, тем больше причин и механизмов срыва плазмы обнаруживалось. В существующих на данный момент термоядерных установках удавалось удерживать плазму всего сотни секунд, при этом на сам процесс удержания плазмы с помощью электромагнитов уходит больше энергии, чем в теории может выработать реактор.

В конце 80-х численные методы моделирования с помощью суперкомпьютеров позволили найти путь решения проблемы в создании оптимальной формы магнитного поля для компенсации всех эффектов срыва плазмы. Достигаться это будет формой самой камеры, а также механизмами управления электро-магнитным полем. При этом цитирую: "С ростом масштабов и температур инженерные проблемы растут нелинейно. Увеличился объем плазмы в два раза — катушка нужна в четыре раза больше. Нужны сверхпроводники, которые придется обернуть в некий термос и обеспечить внутри температуру -270 градусов Цельсия. Все это — нетривиальные инженерные задачи." И ITER весь из таких задач состоит.

Причём интересна вообще подоплёка появления реактора. Фактически, термоядерной теме к 90-м было уже 40 лет, а выхлоп от неё оставался околонулевым. Для того, чтобы приблизиться к энергетическому термояду, нужно было сделать ещё один шаг вверх по лестнице — поднять температуру и плотность плазмы, а сделать это на старых токамаках было малореально. Вот и пошли учёные фактически ва-банк с ITER. Потому что цель его — это продемонстрировать политикам, что термояд возможен, ключевая задача установки — это добиться длительного удержания плазмы и выявить все узкие места. Т.е. это даже не демонстратор технологии, что будет следующим шагом, а тестовый полигон, который тупо докажет возможность развития термояда и дальше.

Установка вышла колоссальной и по сложности, и по стоимости: изначальный бюджет в 12 млрд уже превышен почти вдвое, сроки строительства тоже. Причина тут в том, что её постоянно дорабатывают — выявляют новые проблемы, новые эффекты плазмы или недостатки существующего оборудования. Каждая переделка — это затягивание сроков и новые траты. Сейчас уже процесс строительства зашёл довольно далеко — сооружены все здания и идёт сборка самого реактора. Примерная дата окончания строительства — 2025 год.

И тут встаёт по сути ключевой вопрос: а что если он не заработает?!

1. Если ITER не заработал

То для исследований термояда всё очень и очень плохо. Если самая большая и продвинутая установка не сможет зажечь и удерживать длительно плазму, то ни о каких перспективах энергетического термояда можно не говорить в ближайшие десятилетия. А это вовсе не тот результат, которого ждут от учёных. Вложения в термояд колоссальны, 19 млрд долларов, уже потраченные на ITER, — это лишь часть от усилий разных стран. И если ITER провалится, то термояд с вероятностью 99% посадят на голодный паёк, оставив уже существующие токамаки, но не выделяя денег на новые. Если ITER в аналогии с забором был предпоследней ступенькой лестницы, то после его провала учёным придётся ковырять в заборе дырку с помощью поисков новой физики, а без денег это делать сложно.

2. ITER заработал, плазма удерживается, но на энергетический выход 10:1 не вышел

Это уже хороший, но не очень вариант. Вся идея ITER как раз таки зиждится на том, что на нём наконец получится тратить энергии на удержание плазмы меньше, чем он будет вырабатывать. Правда, есть нюанс — считаться это будет по потоку нейтронов, улавливаться и преобразовываться в электроэнергию они не будут, поэтому реального выхода электроэнергии от ITER не предвидется. Задача получения демонстратора энергетического реактора будет стоять уже после реализации ITER. И тут кроется проблема — выход нейтронов может оказаться меньше, чем ожидается, а удержание плазмы сложнее. Если удастся преодолеть соотношение затрат на удержание плазмы к выходу нейтронов в пересчёте на МВт на уровне 1:1, то это будет лишь частичный успех и крах надежд на скорый энергетический термояд. Но это уже хоть что-то и для отрасли маленькая революция.

3. ITER все поставленные задачи выполнил

Собственно то, ради чего и строится реактор — ради революции. Если ITER подтвердит жизнеспособность схемы, то можно ожидать дальнейших вливаний в термояд с целью развития технологий. Но даже у этого пути есть несколько проблем:

а) ITER просто крайне дорогой

Финальная стоимость ITER скорее всего будет в районе 25 млрд долларов. Возможный энергетический выход реактора такого типа — 500 МВт. Т.е. он будет в 5 раз дороже АЭС аналогичной мощности и попросту может оказаться нерентабельным: если у АЭС срок окупаемости 30 лет, то у термоядерного реактора будет при таких параметрах 150 лет. А ведь системы улавливания нейтронов и преобразования в электричество, которых в ITER нет, тоже выйдут недешёвыми. И какой смысл строительства золотой электростанции при наличии дешёвых аналогов? И тут либо реально будет прорыв в оптимизации стоимости, либо прорыва не будет, и технологию положат на полочку.

б) Проблема со снижением стоимости

Если у АЭС стоимость самого уникального элемента — реактора — составляет примерно 20-30%, а вся остальная стоимость размазана между серийным оборудованием и строительством, то вот у ITER основная часть оборудования — это несерийные образцы, изготовленные подчас в штучных количествах. И проблема их серийного производства для удешевления в том, что без твёрдых заказов делать это никто не будет. Кроме того, компетенции в создании отдельных элементов ITER есть буквально у 1-2 предприятий в мире, что также не способствует снижению затрат в будущем. Цену серийного термоядерного реактора требуется удерживать на уровне, при котором он будет окупаться за разумные 30-40 лет, а для этого придётся снизить его стоимость сооружения минимум вчетверо при условии, что КИУМ (число часов работы на полную мощность в год) будет эквивалентно таковому у АЭС.

в) Проблема с обслуживанием

Опять же упирается в штучность оборудования. Если внутри реактора АЭС ломаться почти нечему, а обвязка по большей части меняется из ЗИП без проблем, то вот у ITER будут с этим проблемы. Выход из строя хотя бы одной катушки соленоида приведёт к неработоспособности реактора при том, что изготовить новую — это задачка на полгода-год. Естественно, что запас каких-то приборов будет, но уж больно высока уникальность установки и при этом риски выхода из строя. Первая же авария может привести не просто к остановке, а даже к закрытию ITER если будет ясно, что восстановление будет слишком дорого стоить.

Поэтому даже успех ITER, который вот вообще не запрограммирован, может не обернуться революцией в энергетике. Чтобы революционное открытие стало полезно для промышленности и общества, оно должно укладываться в текущие экономические реалии. И ITER пока в современную экономику не вписывается. Не он первый, не он последний. Я очень надеюсь, что всё таки он заработает, но вот верю ли я в коммерческий термояд через 20 лет? Нет. К сожалению пока до него всегда 20 лет.

Автор: Владимир Герасименко

Мы в Телеграме: https://t.me/cat0news

Мы в ВК: https://vk.com/cat0news