Реакция синтеза в качестве промышленного источника электроэнергии
Энергия синтеза рассматривается многими исследователями в качестве
«естественного» источника энергии в долгосрочной перспективе.
Сторонники коммерческого использования термоядерных реакторов
для производства электроэнергии приводят следующие аргументы в их пользу:
Практически неисчерпаемые запасы топлива (водород).
Топливо можно добывать из морской воды на любом побережье мира, что делает невозможным монополизацию топливных ресурсов одной или группой стран.
Невозможность неуправляемой реакции синтеза.
Отсутствие продуктов сгорания.
Наперсток, с дейтерием, производит энергию, эквивалентную 20 тоннам угля. Озеро среднего размера в состоянии обеспечить
любую страну энергией на сотни лет.
Однако следует заметить, что существующие исследовательские реакторы спроектированы для достижения прямой дейтериево-тритиевой (DT) реакции,
цикл топлива которой требует использования лития для производства трития,
тогда как заявления о неисчерпаемости энергии касаются использования дейтериево-дейтериевой (DD) реакции во втором поколении реакторов.
Реакция синтеза не производит углекислотных выбросов в атмосферу,
являющихся главным вкладом в глобальное потепление.
Это является значительным преимуществом,
т.к. использование ископаемых топлив имеет своим следствием то, что, например, в США производится 29 кг CO2 на жителя США в день.
В отличие от неядерных источниках энергии,
термоядерные реакторы можно устанавливать где угодно
В космосе же они вовсе незаменимы.
Стоимость и доступность коммерционализации энергии ядерного синтеза
Вопрос о рентабельности УТС остается открытым.
Себестоимость производства электроэнергии с использованием термоядерного реактора будет в верхней части спектра стоимости традиционных источников энергии.
Проблемой является разработка материала,
способного выдержать нейтронную бомбардировку, которая в 100 раз интенсивнее,
чем в традиционных ядерных реакторах.
Это обуславливает необходимость частой замены конструкций D-T и D-D реактора.
Макет реактора ITER. Масштаб 1:50
Следующим шагом должен стать Международный термоядерный экспериментальный реактор (International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER).
На нем планируется провести исследование поведения высокотемпературной плазмы
и конструктивных материалов для промышленного реактора.
Окончательной фазой исследований станет DEMO: прототип промышленного реактора,
на котором будет продемонстрирована практическая пригодность новых материалов. Самые оптимистичные прогнозы завершения фазы DEMO: 30 лет.
Учитывая ориентировочное время,
нас отделяет ~40 лет от промышленного использования термоядерной энергии.
Существующие токамаки
Всего в мире было построено около 300 токамаков.
Ниже перечислены наиболее крупные из них.
- СССР и Россия
Т-3 — первый функциональный аппарат,
Т-4 — увеличенный вариант Т-3,
Т-7 — уникальная установка,
в которой впервые в мире реализована относительно крупная магнитная система
со сверхпроводящим соленоидом на базе ниобата олова,
охлаждаемого жидким гелием.
Главная задача Т-7 была выполнена:
подготовлена перспектива для следующего поколения сверхпроводящих соленоидов термоядерной энергетики.
Т-10 и PLT — следующий шаг в мировых исследованияхУТС,
они с одинаковыми параметрами,
а отставание по критерию Лоусона всего в двести раз.
Т-15 — реактор сегодняшнего дня со сверхпроводящим соленоидом, дающим поле напряжённостью 3,6 Тл.
- Ливия
ТМ-4А
- Европа и Великобритания
JET (Joint European Torus — самый крупный в мире действующий токамак, созданный организацией Евратом в Великобритании.
В нём использован комбинированный нагрев:
В итоге, критерий Лоусона лишь в 4—5 раз ниже уровня зажигания .
Tore Supra (фр.) — токамак со сверхпроводящими катушками,
один из крупнейших в мире.
Находится в исследовательском центре Кадараш (Франция).
- США
TFTR (англ.) (Test Fusion Tokamak Reactor) — крупнейший токамак США
(в Принстонском университете) с дополнительным нагревом быстрыми нейтральными частицами. Достигнут высокий результат: критерий Лоусона при истинно термоядерной температуре всего в 5,5 раза ниже порога зажигания. Закрыт в 1997 г.
NSTX (National Spherical Torus Experiment), сферический токамак (сферомак) работающий в настоящее время в Принстонском университете.
Alcator C-Mod — один из трех крупнейших токамаков в США (два других — NSTX и DIII-D), Alcator C-Mod характеризуется самым высоким магнитным полем и давлением плазмы в мире. Работает с 1993 г.
DIII-D (англ.) — токамак США,
созданный и работающий в компании General Atomic в Сан-Диего.
- Япония
JT-60 — крупнейший японский токамак,
работающий в Японском институте исследований атомной энергии с 1985 г.
- Китай
EAST — Экспериментальный усовершенствованный сверхпроводимый токамак (Experimental Advanced Superconducting Tokamak, EAST).
Является глубокой модернизацией Российского токамака HT-7.
Работает в рамках международного проекта ITER.
Первые успешные испытания были проведены летом 2006 года.
Принадлежит Институту физики плазмы Китайской академии наук.
Расположен в городе Хэфэй, провинции Аньхуй.
На этом реакторе в 2007 году был проведён первый в мире
«безубыточный» термоядерный синтез,
с точки зрения соотношения затраченной/полученной энергии.
На данный момент это соотношение составляет 1:1,25.
В ближайшем будущем планируется довести это соотношение до 1:50.