Чи вгамують вода і літій енергетичний голод світу

В неділю на лекції у Фізичному інституті ім. П.Н. Лебедева РАН (РФ) Крістофер Лльовелін Сміт (член Лондонського королівского товариства) розповів про своє бачення шляхів розвитку термоядерної енергетики в світі. Від метану до дейтерію Зараз потужність продукованої всім людством енергії складає 15,7 терават. Як свідчать докризові прогнози Міжнародного агентства по енергетиці, до 2030 року світове енергоспоживання виросте в півтора рази, і значна частина цього попиту не покривається існуючими потужностями.

Звідки братимуть бракуючі об’єми енергії – питання відкрите. 80 відсотків використовуваної людством енергії створюється за рахунок спалювання нафти, вугілля і газу. По прогнозах Геологічної служби США, зростання світового видобутку нафти продовжуватиметься ще 20 років, по інших оцінках, – не більше 10. Запасів кам’яного вугілля, якщо врахувати зростання його вжитку на чотири з половиною відсотки щорік, теж вистачить роки на 50. Причому, як особливо підкреслив Крістофер Лльовелін Сміт, підвищення ефективності сучасних способів енергоспоживання повністю проблему дефіциту вирішити не може. Як і використання всього потенціалу ряду існуючих напрямів альтернативної енергетики. Професор Сміт привів результати власних розрахунків. Вітер, як джерело енергії, може дати світу максимум три тераватта, ГЕС і біопаливо – поодинці, геотермальні джерела разом з енергією приливів і відливів дотягнуть лише до ста гігават. Розвиток атомної енергетики може мати перспективи, але цьому може серйозно перешкодити вичерпання запасів дешевого урану, якого залишилося приблизно ще на 50 років.

Теоретично невичерпний об’єм енергії може дати Сонце. Всього на 0,5 відсотків площі Землі потрапляє кількість енергії, еквівалентна потужності 19 тераватт (навіть за умови ККД її перетворення в 15 відсотків). Проте, по оцінках професора Сміта, економічно виправданих по поєднанню вартості і ефективності технологій сонячної енергетики доки не існує. Потенціал розвитку цього напряму експерт зв’язує із застосуванням тих, що уловлюють сонячну енергію геліостатів в здобутті водню каталітичним розкладанням води. Але для цього знадобляться принципово нові матеріали, які, поглинаючи енергію, зможуть забезпечити необхідну для процесу температуру. До того ж, швидше за все, як джерело водню доведеться додатково опріснювати морську воду. Зараз сонячні батареї вже застосовуються для електролітичного здобуття цього газу, але досі їх вартість залишається високою. Тому найбільш перспективним напрямом професор Крістофер Лльовелін Сміт вважає термоядерний синтез за участю ізотопів водню (дейтерію і тритію) з виділенням величезної кількості енергії: воно перевищить енергію хімічної реакції спалювання викопних палив приблизно в десять мільйонів разів.

Літій замість нафти

Суть реакції термоядерного синтезу можна описати як «злиття» легких ядер дейтерію і тритію із здобуттям атомів гелію-4, вільних нейтронів і виділенням енергії в 17,6 мегаелектронвольт . Для запуску термоядерної реакції суміш дейтерію і тритію необхідно нагрівати в спеціальній камері до стану плазми і потім до температури понад сто мільйонів градусів, запобігаючи охолоджуванню і забрудненню стінками камери. «Ізоляцію» плазми забезпечує магнітне поле, нагріваючи до необхідної температури – електричний струм і радіочастотне випромінювання.

Для здобуття 200 тисяч кіловат електроенергії досить дейтерію, що в середньому міститься в 45 літрах води, і літій, який містить акумулятор материнської плати комп’ютера, уточнив Крістофер Сміт.

Установку для термоядерного синтезу нобелівський лауреат по фізиці Ігор Тамм і академік Андрій Сахаров винайшли ще в 1950 році. Згодом вона отримала назву «токамак» (Торієва Камера з Магнітними Котушками), а перший токамак був побудований в Інституті атомної енергії ім. І.В. Курчатова в 1956 р. З початку сімдесятих експериментальні установки стали створювати у всіх провідних країнах світу. Проте по-справжньому крупний термоядерний реактор ITER (див. довідку STRF), експерименти на якому можуть відкрити перспективи комерційної термоядерної енергетики, ще лише почав будуватися, він буде запущений не раніше 2018 року.

Ціна енергії і ціна питання

Загальні витрати на міжнародний проект ITER складуть приблизно 12 мільярдів доларів США. По оцінках пана Сміта, якщо він завершиться успішно, термоядерні електростанції можуть запрацювати вже приблизно через 40 років. ККД складе 90 відсотків, шкоди екології не буде жодного (якщо виключити крупні аварії), вартість вироблюваної електроенергії навряд чи перевищить 12 євроцентів, а витрати на будівництво термоядерних станцій будуть порівнянні з ціною зведення АЕС (правда, якщо побудувати атомну станцію можна за чотири мільярди доларів, то термоядерну – вже за п’ять-десять). Проте стовідсоткової упевненості в успіху у учених досі немає.

По-перше, для будівництва «робочих камер» термоядерних електростанцій необхідні матеріали, які протягом декількох років зможуть безперервно витримувати «бомбардування» нейтронами і не руйнуватися. Експерименти на прискорювачах заряджених часток показали, що деякі сорти сталі об’ємно-центрованої структури сповна личать для цього, але даних досліджень недостатньо. Для повноцінних випробувань необхідно два спеціальні прискорювачі потужністю п’ять мегават. Розгін в них ядер дейтерію (дейтронів) до енергії в 40 мегаелектронвольт і напрям їх пучка в мішень з рідкого літію дозволить отримати нейтрони з необхідними характеристиками і тим самим змоделювати «бомбардування» ними оболонок робочих камер майбутніх термоядерних електростанцій. Використовувати сам реактор ITER як випробувальний майданчик не вийде, оскільки він не «дотягне» по потужності до майбутніх станцій і не зможе працювати безперервно. Витрати на такі випробувальні прискорювачі додадуть до вартості проекту ще мільярд євро, а позитивний результат випробувань напевно не може передбачити ніхто. Є вірогідність, що для комерційних токамаків доведеться придумувати нові матеріали. По-друге, неоднозначною для перспектив термоядерної енергетики залишається виявлена вже після винаходу цих установок здібність гарячої плазми дейтерію і тритію до генерації власного струму. З одного боку, можна чекати, що до 80 відсотків струму, необхідного для утримання плазми в реакторі (по розрахунках для реактора ITER), виникатиме на основі цього ефекту, що вимагає значно менше енергії на підтримку робочого режиму токамака. Але з іншого, якщо цим струмом, не зможуть управляти, подібні проблеми взагалі можуть «поховати» перспективи даних установок в комерційній термоядерній енергетиці.

Втім, як відзначив професор Сміт, «сподіватимемося, що жодних крупних і несподіваних сюрпризів на дорозі розвитку термоядерної енергетики не буде». Виправдає або зруйнує надії сера Крістофера Лльовеліна Сміта і інших прибічників розвитку термоядерної енергетики міжнародний проект загальною вартістю 13,3 мільярда доларів.