По мере своего развития, человечество все чаще задумывалось о том, как получить дешевый и бесконечный источник энергии. Уголь, нефть, газ — все это были вехи на пути освоения наиболее энергоемких и дешевых ресурсов. Но даже АЭС по мощности были далеки до термоядерных процессов, которые идут в недрах звезд. В условиях глобального экологического кризиса к этим требованиям добавилось еще одно — энергия должна быть чистой: выбросы парниковых газов при её генерации должны быть сведены к минимуму, а еще лучше к нулю.
Ничего подобного системы традиционной генерации предложить не могут. Атомные электростанции оставляют после себя слишком большой мусорный след в виде отработанного топлива, которое требует особого подхода, мощностей для переработки и захоронения. Остаются только возобновляемые источники, которые массово вводятся в европейский энергобаланс. Но и у них есть недостатки: из-за низкой удельной мощности они требуют больших площадей, а генерация на их основе сильно зависит от погоды.
Теперь у нас есть альтернатива — атомная энергетика на основе ториевых реакторов и термоядерная энергетика. Считается, что оба варианта лишены недостатков традиционной энергетики. Действительно ли это так? Давайте разберемся.
Будущее ядерной энергетики?
Торий — сейчас об этом металле как о ядерном топливе будущего, не говорит только ленивый. Оптимизму нет конца, и он подогревается вполне реальными достижениями. В 2021 году в пустыне Гоби китайские ученые построили тестовый вариант жидкосолевого ядерного реактора, топливной основой для которого послужил торий, а не уран. В планах соорудить на его основе коммерческий вариант, а потом начать строительство новых реакторов в разных странах в рамках программы «Один пояс, один путь».
Преимущества ториевого реактора потенциально должны понравиться любому человеку, озабоченному проблемами радиационной безопасности. Расплавы тория не требуют жидкого охлаждения — только воздушное. Они быстро затвердевают на воздухе, поэтому радиоактивные утечки исключены. Так что ториевые АЭС можно строить в пустынных местностях, подальше от крупных городов.
Но на этом их преимущества, как свидетельствуют многочисленные газетные заметки, не исчерпываются. Аварии по типу Чернобыльской с такими реакторами фактически не возможны. Радиоактивные отходы ториевого реакторы в массе своей имеют период полураспада в районе 500 лет, а нередко и 100 лет, что удобно в плане захоронения.
К тому же, тория в природе как минимум в три раза больше, чем урана. То есть, у нас огромные залежи безопасного топлива, которые только и ждут, когда их пустят на выработку энергии. Но как это часто и бывает, у такого замечательного решения есть свои темные стороны.
Мифы ториевой энергетики
Начнем с самого простого. Торий — это ядерный яд. То есть, сам по себе он не способен запустить цепную реакцию — торию в реакторе нужен инициирующий элемент. Таким может послужить только уран, в первую очередь изотоп уран-235, или плутоний-239.
Таким образом, уже в рамках проектирования реактора понадобятся урановые сборки. Отказаться от обогащения урана и его добычи не получится. Однако его количество будет в 3-10 раз меньше, чем для традиционных АЭС. А это означает, что нынешний уровень потребления урана — более 65 килотонн ежегодно, можно резко сократить.
Второй важный момент — проблема с повторным использованием отработанного ядерного топлива, которого накопилось очень много. Ториевому реактору просто не нужно такое количество урана и плутония. Так что получается палка о двух концах: да, мы снизим потребление урана и плутония, но от их переработки и захоронения ядерных отходов мы не сможем отказаться. Это отдельная проблема, которая не решается в рамках нового направления ядерной энергетики.
Третий фактор связан с запасами тория. Дело в том, что торий добывают из монацита, минерала, содержание фосфата тория в котором составляет 6-7%. Монацит содержится в магматических и других породах, но самые высокие его концентрации находятся в россыпных отложениях, сконцентрированных с другими тяжелыми минералами. То есть без коммерческого извлечения редкоземельных элементов производство тория сейчас нерентабельно. Экономически выгоднее добывать уран. Так что ториевые реакторы не имеют никаких экономических преимуществ перед традиционной АЭС. Единственная страна, в которой этот фактор не работает — Индия. В стране большие запасы тория, перевод местных АЭС на торий может оказаться прибыльным. Тем более, что Индия испытывает настоящий энергетический голод. И по мере превращения страны из аграрной в урбанистическую, энергии будет нужно всё больше. Но «Усовершенствованный тяжеловодный реактор» (AHWR) индийского производства, работающий на торий-урановых и торий-плутониевых сборках, до сих пор не закончен.
Проблема еще и в том, что ториевый реактор — это сильно корродирующая среда. Помимо этого, в результате реакции в нем образуется изотоп уран-232. Его продукты распада, висмут-212 и таллий-208, характеризуются жестким гамма-излучением, которое сложно экранировать. Поэтому уровень безопасности и защищенности персонала и электроники для ториевых реакторов по идее должен быть выше, чем на традиционной АЭС.
Однако, проверить эти теоретические выкладки можно только на действующих ториевых реакторах разных моделей. А их пока не так много. Вся надежда на китайскую установку и на то, что данные по ее эксплуатации не будут засекречены.
Россия тоже старается не отстать от ториевого клуба. В ближайшие 15-20 лет запланировано использование тория в уже существующих реакторах типа ВВЭР и БН. А после, в проектируемых реакторах Супер-ВВЭР, в котором значительная часть отработанного ядерного топлива будет использована для производства нового.
Остается вопрос с отходами ториевых реакторов. Согласно исследованию Минэнерго США за 2014 год, отходы торий-уранового цикла имеют такую же радиоактивность на отрезке времени в 100 лет, что и уран-плутониевые топливные циклы, и более высокую радиоактивность отходов на отрезке 100000 лет. К тому же, если мы знаем как работать с отходами уран-плутониевых циклов, то опыта работы с отходами ториевых реакторов у нас нет.
При всем положительном отношении автора этих строк к новым технологиям в области атомной энергетики, чтобы сказать, что торий — светлое будущее этой области понадобится еще как минимум лет 10. А сейчас здесь больше мифов, маркетинга и попыток найти инвесторов для проектов, которые вовсе не обязательно будут экономически и экологически более выгодными, чем повышение безопасности и технологичности уже использующихся атомных технологий.
Токамак, или как запрячь энергию Солнца
Над тем как заполучить термоядерный реактор, человечество ломает голову еще с середины 20 века. Всё дело в физике процесса. В отличие от атомных реакторов, в которых энергия выделяется за счет деления ядра тяжелых элементов, в термоядерных энергия получается за счет образования более тяжелых элементов из легких.
Для этого внутрь термоядерного реактора запускают дейтерий и тритий и разогревают до температур свыше 150 миллионов градусов Цельсия. Газ превращается в плазму, которая удерживается с помощью мощных магнитов в тепловом контуре реактора.
Схема реактора типа токамак (тороидальная камера с магнитными катушками).Сразу решаются проблемы с захоронением отходов, нет нужды развивать промышленность по обогащению урана и его добыче. В качестве топлива должны служить тяжелые изотопы водорода — тритий и дейтерий, а также гелий-3 и бор. Экологическая нагрузка на планету резко снижается. В теории, термоядерные электростанции должны быть в несколько раз эффективней атомных, чище и безопасней. Дело за малым — создать термоядерную электростанцию и получить дешевую энергию. И вот тут нас подстерегают проблемы.
Температура плазмы в токамаках достигает десятков миллионов градусов по Цельсию. Например, в китайском токамаке EAST плазму удалось нагреть до 100 миллионов градусов. Это в 8 раз выше, чем в центре Солнца.
Второй момент: для управления термоядерным синтезом необходимо научиться удерживать плазму. Китайцам удалось сделать это в течении 101 секунды. Корейцы на токамаке KSTAR в 2020 году удерживали разогретые до 100 миллионов градусов ионы в течение 20 секунд. Это рекордные показатели. Но для полноценной работы реактора плазму необходимо удерживать в течение нескольких минут или даже больше. Пока что человечеству далеко от таких результатов.
Корейский токамак KSTAR. Фото: IsouM, Wikimedia CommonsСледующая проблема — это сам тип термоядерного реактора. Наиболее распространенным на сегодняшний день является токамак тороидальной конструкции («бублик»). Плазма в нем удерживается сверхмощными магнитами, не соприкасаясь со стенками реактора. Это делается как для безопасности — иначе плазма просто прожжет все, до чего дотянется — так и для того, чтобы не было примесей в ионизированном газе.
Такое условие задает определенную планку качества при изготовлении материалов. Оно должно быть выше, чем для АЭС, многие из элементов которых уже освоены промышленностью. Например, для международного термоядерного реактора ITER, который сейчас находится на заключительной стадии сборки конструкций, сверхмощные магнитные катушки, которые удерживают плазму, являются уникальными изделиями.
KSTAR — вид изнутри. Фото: pinterest.esТо есть, уже на стадии создания тестовых образцов термоядерные реакторы оказываются сложными и дорогими объектами. Смета международного проекта ITER уже сейчас превысила изначальную оценку в три раза — с 6 миллиардов евро дойдя до 18-22 миллиардов. Пессимистические прогнозы говорят, что в реальности реактор обойдется в 45-65 миллиардов долларов. И это для объекта мощностью 0,5 ГВт. Для сравнения: стоимость сооружения турецкой АЭС Аккую мощностью 4,8 ГВт — около 20 миллиардов долларов. Термоядерный реактор не построен, а уже в несколько раз менее эффективен, чем АЭС. Это не считая сроков сооружения ITER, которые срывались несколько раз. Сейчас пуск назначен на конец 2025 года — если сроки опять не перенесут. При этом речь идет о тестовых установках, на которых ученые и инженеры будут фактически учиться управлять термоядерными процессами. Впрочем, у нас есть вариант сферического токамака от Tokamak Energy. Он меньше по размерам, если его испытания в 2022 году пройдут успешно, то мы ещё на шаг приблизимся к малогабаритному термоядерному реактору.
В России решили пойти своим путем и создать гибрид ядерного и термоядерного реакторов. Плазма вместо урана послужит источником ионов, которым будут бомбардировать ядерное топливо — торий. Так что у нас тут два в одном — торий-термояд.
Но до коммерческой реализации пока все так же далеко, первые образцы мы получим в лучшем случае лет через 20, а то и все 50. Если не случится технологического прорыва.
Топливо для звезды
А вот с топливом для термоядерных реакторов нам повезло. Дейтерий в большом количестве содержится в океанической воде — в каждом кубометре 33 грамма. Ее понадобится очистить, так что заводы по производству тяжелой воды останутся. Производство дейтерия на современном этапе достаточно дешевое, в районе 1 доллара за грамм. Тритий стоит дороже. По оценкам американских военных, в 2017 году производство 1 грамма обходилось в 110-170 долларов. Для реакторов типа ITER, по официальным данным, понадобится 125 кг трития и 125 кг дейтерия. Это очень небольшие объемы, которые в сотни тысяч — десятки миллионов раз меньше, чем нужно для угольных или газовых электростанций. Более того сейчас речь идет об оптимизации и сокращении даже такого объема. К тому же, тритий теоретически можно будет производить в самом реакторе ITER. Что еще больше снизит потребности в его стороннем производстве.
У реактора ITER есть свой Youtube-канал, где можно наблюдать за ходом работ:
Получается, что хотя сейчас получение электроэнергии с помощью термоядерного реактора — это во многом фантастика, в области топлива, экологичности и безопасности все обстоит гораздо лучше, чем с ториевыми АЭС. Смущает только время реализации — 30-50 лет. Есть ли оно у нас? И не лучше ли сосредоточиться на решении тех проблем, которые у всех на виду — адаптация к экстремальным погодным условиям, снижение углеводородной генерации, охрана природы, переработка и повторное использование отработанных ресурсов и, наконец, восстановление разрушенных или разрушаемых эколандшафтов?
Ответ — эти меры необходимо совместить. Так как энергетика ответственна за 73% выбросов углерода в атмосферу, замена угольных электростанций в течение 10-20 лет жидкосолевыми реакторами позволила бы радикально сократить эмиссии и высвободила средства на реализацию стратегий адаптации к климатическим изменениям. Если же за это время удастся запустить выработку термоядерной энергии — человечество сорвет джекпот, который даст реальную надежду на выход из экологического кризиса.
