Перспектива развития термоядерной энергетики для обеспечения устойчивого электроснабжения

"Научный аспект №6-2024" - Электротехника

УДК 621

Кулаков Александр Дмитриевич – бакалавр Оренбургского государственного университета.

Ярцев Иван Сергеевич  – бакалавр Оренбургского государственного университета.

Аннотация: Статья рассматривает перспективы развития термоядерной энергетики как ключевого элемента обеспечения устойчивого электроснабжения. Основываясь на анализе проекта ITER и других научных исследований в этой области, поднимается важность термоядерной энергетики в контексте экономического и экологического развития. Статья подчеркивает, что термоядерная энергетика может стать решением для обеспечения стабильного и безопасного энергоснабжение на планете. Также обсуждаются экономические аспекты развития термоядерной энергетики, подчеркивая ее значимость для будущего энергетического сектора.

Ключевые слова: термоядерная энергетика, термоядерный реактор, термоядерный синтез, проект ITER, перспектива развития, экономический аспект, финансирование.

Термоядерная энергетика – это направление в области получения энергии, основанное на использовании контролируемого термоядерного синтеза. На сегодняшний день термоядерная энергетика представляет собой одну из самых обещающих технологий для обеспечения не истощаемого энергоснабжения в будущем.

Идея применения термоядерного реактора, использующего принципы управляемого термоядерного синтеза для производства энергии, начала развиваться в середине ХХ века. Основные исследования в этой области начались после Второй мировой войны 12 августа 1953 года советские ученые испытали первую в мире водородную бомбу, принцип работы которой основывался на процессе термоядерного синтеза. С того момента люди получили в свои руки почти неограниченную колоссальную энергию. Вскоре ученые, работавшие над созданием водородной бомбы, стали искать способы мирного использования ядерной энергии, но столкнулись с рядом серьезных проблем.

В основе термоядерного синтеза лежит процесс объединения легких ядер водорода – дейтерия (D, ²H) и трития (T, ³H) в более тяжелое ядро - гелий (⁴He) с выделение нейтрона (n). Реакция записывается следующим образом:

²H + ³H = ⁴He + n + 17,6 МэВ

При слиянии ядер высвобождается огромное количество энергии. Возникающая энергия ядерных связей гелия-4 переходит в обычную кинетическую энергию. Она распределяется между нейтроном (n), на который приходится 14,1 МэВ, и ядром гелия-4 (3,5 МэВ).

Реакция синтеза выполняется в очень экстремальных условиях, которые не проходят на Земле, поэтому для достижения условий, необходимых для протекания контролируемого управляемого термоядерного синтеза должны быть созданы специальные установки, которые способны выдержать температуру в сотни миллионов градусов Цельсия и очень высокое давление. Так был создан «Токамак» – тороидальная установка для магнитного удержания плазмы за счет магнитных катушек.

Ни один материал не способен выдержать такую температуру, но в токамаке плазма удерживается не стенками камеры, а специально создаваемым магнитным полем. Плазма, содержащая частицы с электрическими зарядами (положительными ядрами и отрицательными электронами), реагирует на магнитное поле. Это поле, создаваемое внешней магнитной системой вокруг тора, усиливается к его оси, сжимая плазму так, что она не касается стенок камеры. Внутри тора реакция синтеза порождает положительно заряженные ядра гелия, которые, сталкиваясь и тормозя, высвобождают энергию, поддерживая высокую температуру плазмы. Нейтроны, образующиеся в реакции, покидают тор и передают тепло стенкам, которое затем преобразуется в электричество. Внутри тора нейтроны также взаимодействуют с литием, в результате чего образуется тритий. Существуют и другие ядерные реакции, как с образованием трития, так и без него. «Токамак» является одним из основных, но не единственным методом удержания высокотемпературной плазмы [3].

Проект ITER (Международный термоядерный экспериментальный реактор) представляет собой одно из самых амбициозных и технологически продвинутых начинаний в области энергетики нашего времени. Задуманный как первый в мире экспериментальный реактор, демонстрирующий практическую возможность использования термоядерного синтеза в качестве источника энергии. Проект ставит перед собой задачу подтвердить научную и технологическую осуществимость управляемого термоядерного синтеза.

Проект начал свою историю в середине XX века как часть глобальных усилий по исследованию и разработке управляемого термоядерного синтеза в качестве потенциального источника энергии. Создание ITER было мотивировано стремлением использовать термоядерный синтез — процесс, лежащий в основе энергии Солнца и звезд, — для выработки чистой, безопасной и почти неограниченной энергии на Земле.

Концепция международного термоядерного реактора начала обретать форму после встречи лидеров США и СССР — Р. Рейгана и М. Горбачева в ноябре 1985 года, где было предложено совместное мирное исследование термоядерного синтеза. В 1988 году четыре региона — США, СССР, Европейский Союз и Япония — официально запустили проект ITER, объединив усилия и ресурсы для его разработки.

Первоначальная фаза проекта была посвящена исследованиям и разработке концепции реактора. В 2001 году был завершен подробный проект реактора, который предусматривал создание установки, способной демонстрировать научную и технологическую осуществимость термоядерного синтеза. Однако в последующие годы проект столкнулся с рядом технических, политических и финансовых препятствий, что привело к пересмотру дизайна и структуры проекта.

После долгих переговоров местом для строительства был выбран Кадараш во Франции. Официальное начало строительства состоялось в 2007 году. Сейчас работы по строительству объекта идут полным ходом. Проект уже достиг значительных успехов. Стоит отметить, что успехи видны в создании и транспортировке огромных сверхпроводящих магнитов, необходимых для удержания и контроля плазмы.

Проект ITER является уникальным примером международного сотрудничества, в котором участвуют 35 стран: все страны Европейского Союза, включая Великобританию и Швейцарию, в качестве хозяина проекта, а также США, Россия, Япония, Китай, Южная Корея и Индия. Эти страны вносят вклад не только финансовый, но и предоставляют свои технологии, материалы и научную экспертизу для реализации проекта.

На текущий момент проект находится в активной фазе строительства. Ожидается, что первые эксперименты с плазмой начнутся в 2025 году. Проект имеет важное значение не только для научного сообщества, но и для всего человечества, поскольку предлагает перспективу перехода на новый, экологически чистый источник энергии.

На пути реализации проекта ITER стоит множество технических проблем. Одной из основных проблем является достижение условий, при которых начнется самоподдерживающийся термоядерный синтез, что требует огромного количества энергии для нагрева плазмы до необходимой температуры. Технология магнитного удержания плазмы представляет собой один из наиболее перспективных методов решения этой задачи.

Термоядерный реактор обещает стать одним из ключевых элементов будущей энергетической инфраструктуры. В то время как научное сообщество сосредоточено на преодолении технических барьеров, экономические аспекты этой инновационной технологии также заслуживают пристального внимания.

Одним из главных экономических препятствий является необходимость огромных инвестиций. Проекты вроде международного экспериментального реактора ITER требуют многомиллиардных вложений со стороны участвующих стран. Высокие капитальные затраты обусловлены сложностью технологий, необходимостью использования сверхпроводников и конструкцией реакторов, способных выдерживать экстремальные условия [2].

Вопросы эксплуатационных расходов и рентабельности термоядерных реакторов так же остаются открытыми. Несмотря на то что топливо для термоядерного синтеза (дейтерий и тритий) можно добывать из морской воды или производить непосредственно в процессе работы реактора, необходимы дополнительные исследования для определения экономической эффективности производства энергии в сравнении с альтернативными источниками.

Термоядерная энергетика может столкнуться с жесткой конкуренцией на энергетическом рынке, особенно с возобновляемыми источниками энергии, которые продолжают дешеветь. Возобновляемые источники энергии (ветровая, солнечная, геотермальная, приливная) продолжают дешеветь и становятся более доступными благодаря технологическому прогрессу и масштабированию производства. Возникают вопросы, связанные с рентабельностью использования термоядерной энергии. Потребуются не только доказательства технологической осуществимости, но и конкурентоспособности по стоимости электроэнергии. Успех термоядерных реакторов будет зависеть от их способности обеспечивать стабильное и экономически выгодное производство энергии в условиях растущего спроса и стремления к сокращению выбросов углерода.

Целью проекта ITER является получение термоядерной мощности на уровне 500 МВт при затрате энергии на входе системы около 50 МВт в течение ~ 400-3000 с и более. Ученые и инженеры стремятся найти решение для получения большого количества энергии при минимальных затратах [6].

Несмотря на все возникшие проблемы, термоядерная энергетика обладает потенциалом обеспечить человечество чистой, безопасной и почти неограниченной энергией. В долгосрочной перспективе это может оказаться ключом к устойчивому энергетическому будущему, особенно если удастся преодолеть существующие экономические и технологические барьеры.

Большая часть финансирования проекта обеспечивается Евросоюзом, который покрывает почти половину всех затрат на создание реактора. В проекте также активно участвуют Китай, Индия, Япония, Южная Корея, Россия и США, внося свои вклады на равных условиях.

Первоначальные оценки стоимости строительства реактора составляли около 5 миллиардов евро. В июле 2010 года предполагаемые затраты были пересмотрены и составили уже 15 миллиардов евро.

После первых пяти лет строительства, в 2015 году, проектные оценки снова были скорректированы до 19 миллиардов евро. Окончательные же затраты участников проекта и сроки его запуска продолжают оставаться предметом для дискуссий в медиа.

Несмотря на затягивание процесса реализации этого значимого научного проекта XXI века, страны Запада ищут альтернативные методы для стимулирования исследований и разработок в области коммерческого использования термоядерного синтеза. Согласно прогнозам экспертов из американского министерства энергетики, сделанным в 2018 году, общая стоимость строительства ITER может достигать 65 миллиардов долларов, что в разы превышает первоначальные оценки [5].

Программы термоядерного синтеза по всему миру широко рекламировались как "чистая" альтернатива энергии ядерного деления в условиях постоянно растущей потребности в ископаемом топливе. Однако обвал рынков и падение цен на нефть поставили под сомнение значительное финансирование крупных термоядерных проектов по всему миру. Это лишь лишняя перспектива, поскольку человеческая цивилизация должна переходить к следующему этапу своего развития, когда придет время. Технология термоядерного синтеза имеет огромное политическое, экономическое и военное значение для всего мира. Это было единственное, что предотвратило дальнейшую эскалацию холодной войны. Эта технология потенциально может привести человечество к звездам или уничтожить нашу планету.

Список литературы

1. М.И. Баранов, Антология выдающихся достижений в науке и технике / М.И. Баранов // CyberLeninka. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/antologiya-vydayuschihsya-dostizheniy-v-nauke-i-tehnike-chast-46-termoyadernaya-energetika-termoyadernye-reaktory-i-elektrostantsii/viewer
2. L. Stoev, Thermonuclear technology: history and perspectives / L. Stoev // ResearchGate. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.researchgate.net/publication/336852640_Thermonuclear_technology_history_and_perspectives
3. ITER - International Thermonuclear Experimental Reactor [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.iter.org/
4. N. J. Lopes Cardozo, Thermonuclear fusion technology: current status and future prospects / N. J. Lopes Cardozo // Royal Society Publishing. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsta.2017.0444
5. Т. Оганесян, Частная термоядерная инициатива. / Т. Оганесян // Stimul Online. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.stimul.online/articles/science-and-technology/chastnaya-termoyadernaya-initsiativa/
6. Проект ITER // Проектный центр ИТЭР Росатом [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.iterrf.ru/index.php/o-proekte