«Чистый ноль»: Стратегия правительства Великобритании на пути к термоядерной энергии

Нынешний мировой энергетический кризис пришелся на октябрь 2021 года.

Цены на природный газ в Европе стремительно выросли за последние месяцы на фоне перехода на возобновляемые источники энергии и сокращения поставок из Норвегии, России и СПГ (сжиженного природного газа) из США, а также более высокого спроса на электроэнергию. В начале августа фьючерсы на газ в Европе торговались в районе 515 долларов за тысячу кубометров, к концу сентября они выросли более чем вдвое, в начале октября превысив рекордные 1900 долл. за тысячу кубометров (в пике, 6 октября, — до 1937 долл. за тыс. кубов), при средней цене в прошлые годы в 200 долларов.

Великобритания находится в лидерах по использованию ветряной генерации (однако, страна не может обходиться без газа: по-прежнему 80 % домов в стране отапливаются газом, а 40 % газа идёт на выработку электроэнергии) и именно останов ветряков (две недели в сентябре в Северном море был штиль) многие эксперты называют главным фактором, который сделал энергетический кризис в стране ещё более острым, чем во многих странах материковой Европы. В итоге в сентябре и октябре электроэнергия подорожала на 200 %.

Великобритания добилась большего прогресса, чем другие страны с развитой экономикой в поэтапном отказе от сжигания угля для производства электроэнергии, но стала сильно зависеть от газа как крупнейшего и единственного гибкого источника генерации. Один из главных факторов уязвимости энергетической системы страны заключается в том, что Великобритания полагалась на импорт почти 60% всего газа в 2019–2020 гг. В результате почти вся энергосистема страны (в том числе на уровне бытовых потребителей) зависит от импортируемого газа, который, в свою очередь, зависит от мировых цен на СПГ.

Энергетический кризис требует чётких политических решений. И остро стоит вопрос: как в таких условиях продвигать переход к низкоуглеродной энергетике по программе «Чистый ноль»?

Энергия Солнца на Земле

Одним из способов декарбонизации и тем самым борьбой с глобальным потеплением является использование термоядерного синтеза в качестве источника электроэнергии. Самый простой способ получить энергию синтеза — использовать ядра с низким электрическим зарядом, в частности, изотопы водорода, которые имеют наименьший ядерный заряд — заряд отдельного протона. Изотопы водорода — это дейтерий (содержащий один протон и один нейтрон) и тритий (содержащий один протон и два нейтрона).

Тритий — это радиоактивный изотоп водорода с периодом полураспада 12,3 лет, распадающийся на безвредный изотоп гелия. Он испускает бета-частицы, которые могут вызывать повреждение кожи или внутренних органов и клеток человека при вдыхании или проглатывании. Тритий с большей вероятностью будет иметь выброс в окружающую среду в форме тритиевой воды (вода, в которой один или оба атома водорода заменены тритием), а не в виде чистого газообразного трития, который легко рассеивается в атмосфере.

Выхлопные газы термоядерной установки проходят через детритирующие установки, и поэтому выбросы трития минимальны. Расчетные годовые дозировки для общих остаточных сбросов находятся на уровне микрозиверта, который сопоставим с дозой, полученной от одного стоматологического рентгеновского снимка.

Тритий используется в качестве одного из компонентов DT-топлива (дейтерий-тритиевое топлио) в термоядерном устройстве. Тритий в природе встречается редко. Подавляющее большинство трития, обнаруженного на Земле, производится высоко в атмосфере в результате взаимодействия космических лучей с азотом и кислородом. Большая часть доступных мировых поставок трития в настоящее время производятся реакторами деления, такими как «CANDU» в Канаде. Годовое мировое производство варьируется, но оценивается не более чем в несколько килограммов в год.

Термоядерный синтез — это процесс, который происходит в ядрах звёзд. Это источник света и тепла испускаемые Солнцем. На протяжении десятилетий учёные и инженеры всего мира вели
разработку технологий, которые могли бы использовать этот процесс для производства энергии на Земле. Если оно будет успешно продемонстрировано и коммерциализировано, технология термоядерного синтеза обеспечит низкоуглеродную, непрерывную и неограниченную выработку электроэнергии.

Хотя экспериментальные установки по термоядерному синтезу работают во всем мире уже много десятилетий, ни одна из них ещё не продемонстрировала эффективный результат.

Реакция без аварий

Основным преимуществом использования термоядерного синтеза в качестве источника энергии является то, что лежащая в его основе физика исключает, как расплавление топлива — например, то, что произошло на Три-Майл-Айленде и Фукусиме, — так и неконтролируемую реакцию как в Чернобыле. Кроме того, количество радиоактивного материала, которое может быть выброшено в результате аварии в системе термоядерной электростанции, намного меньше, чем в реакторе деления. Следовательно, у термоядерной системы гораздо меньше возможностей повредить себя, и любое повреждение будет иметь гораздо менее опасные последствия. В результате современные концепции термоядерных систем могут не требовать плана эвакуации за пределы площадки.

Еще одно преимущество термоядерного синтеза состоит в том, что ни топливо, ни его продукты не создают долгоживущие радиоактивные отходы, как при радиоактивном делении, а это означает, что термоядерный синтез не требует длительного геологического хранения отходов.
Термоядерный синтез также представляет низкие риски распространения по сравнению с радиоактивным делением, поскольку нет необходимости в уране или плутонии в системе термоядерного синтеза.
Хотя существуют разные технологии синтеза, процесс синтеза остается неизменным. Экстремальные условия, необходимые для создания реакции синтеза, означают, что любое отклонение от этих условий вызывают прекращение реакции. Поэтому МАГАТЭ отмечает, что процесс термоядерного синтеза сам по себе не может вызвать ядерную аварию. Хотя нет точного различия между ядерной и радиологической аварийной ситуациями, МАГАТЭ отмечает, что ядерной аварией является «аварийная ситуация, при которой существует опасность из-за энергии, возникающей в результате ядерной цепной реакции или распада продуктов цепной реакции».

Получение энергии с помощью термоядерного синтеза имеет шесть явных преимуществ:

Магнит для инвестиций

Теория о том, что термоядерный синтез — это процесс, приводящий в действие Солнце, была впервые предложена в 1920-х годах, а первая лабораторная демонстрация термоядерного синтеза была предоставлена ​​десятью годами позже. В ходе эксперимента гелий был получен из синтеза дейтерия. Десятилетия попыток использовать энергию, которая выделяется при слиянии ядер легких элементов, объясняются двумя преимуществами этого источника: легкодоступным и дешёвым топливом — водородом — и значительным выходом энергии. Но создать необходимые для начала синтеза условия очень трудно. Чтобы два атомных ядра слились в одно более тяжелое, они должны сблизиться на достаточное расстояние. Этому препятствует электрическое отталкивание, ведь ядра имеют одинаковый (положительный) электрический заряд. В результате синтез наступает в очень сильно разогретом веществе, где тепловая энергия частиц достаточно велика, чтобы преодолеть это отталкивание. Поэтому специалистам по термоядерному синтезу приходится иметь дело с разогретой плазмой, которая постоянно стремится расшириться и остыть. Облако плазмы удерживают мощными магнитами.

Название самого известного типа термоядерных реакторов означает «ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками».
В 1970-х годах стало очевидно, что международное сотрудничество будет ключом к решению
сложных технических задач. Это сотрудничество привело к таким проектам как JET, крупнейший экспериментальный термоядерный реактор, работающий с 1983 года.

После занявшей семь лет реконструкции в Великобритании снова начал действовать реактор термоядерного синтеза MAST (Mega Ampere Spherical Tokamak), расположенный в Центре термоядерной энергии в Калеме (Culham Centre for Fusion Energy). Теперь он носит название MAST-Upgrade.

Строительство реактора MAST в Калеме началось в 1997 году, в декабре 1999 года реактор заработал. MAST представляет собой сферический токамак. В отличие от обычных токамаков, где удерживаемая магнитными катушками плазма имеет форму тора, и стеллараторов, где этот тор выглядит смятым, в сферических токамаках внутренний радиус тора значительно уменьшен, поэтому облако плазмы в нем по форме близко к шару. Его обычно сравнивают с яблоком, из которого вырезана сердцевина. По замыслу конструкторов, это делает плазму стабильнее и позволяет снизить необходимую для удержания плазмы величину индукции магнитного поля. В MAST восемь кубических метров плазмы удерживались магнитным полем в 0,55 тесла. Хотя это очень сильное поле, оно слабее, чем у обычных токамаков. Например, российский токамак Т-15 в Курчатовском институте использует магнитное поле индукцией 3,6 тесла. В России имеется и свой сферический токамак — Глобус-15 в Физико-техническом институте имени А. Ф. Иоффе в Санкт-Петербурге (0,4 тесла).

Британские физики рассчитывают, что реконструкция MAST, начавшаяся в сентябре 2013 года и стоившая 55 миллионов фунтов, сделает его самым современным испытательным стендом технологий, критически важных для создания будущих термоядерных реакторов, вырабатывающих энергию.

Одна из самых заметных особенностей MAST Upgrade — дивертор Super-X. Дивертор — это часть токамака, которая предназначена для отвода избыточного тепла и примесей из плазмы. Когда существующие конструкции диверторов масштабируют на будущие электростанции, получается, что эти устройства будут испытывать очень высокие тепловые нагрузки и их необходимо будет заменять каждые несколько лет. Дивертор Super-X должен снизить тепловые нагрузки примерно в десять раз, что поможет решить одну из основных проблем коммерчески рентабельной термоядерной энергии. Внутри токамака плазма достигает температуры 100 миллионов градусов. Без системы охлаждения, способной справиться с такими температурами, материалы в конструкции пришлось бы регулярно заменять, что сказалось бы на времени работы электростанции.

Стратегия Великобритании заключается в сотрудничестве с UKAEA (United Kingdom Atomic Energy Authority), исследовательской организацией Великобритании, ответственной за разработку термоядерной энергии для обеспечения лидерства Великобритании в международном, научном и коммерческом плане.

UKAEA реализует программу Joint European Torus (JET) в Центре термоядерной энергии в Калэме (CCFE) в Оксфордшире. JET — крупнейший и наиболее успешный термоядерный эксперимент в мире. Он коллективно используется для исследований в области термоядерного синтеза под руководством EUROfusion, куда входят 40 европейских лабораторий. Более 350 ученых и инженеров со всей Европы внесли свой вклад в программу JET. Размещая у себя JET, Великобритания имеет уникальный опыт эксплуатации лучшей в мире термоядерной станции.

Дейтерий-тритиевые эксперименты проводились на JET с 1990-х годах путем обработки нескольких десятков граммов трития. Вторая кампания экспериментов запланирована на 2021 год на JET. Успех JET проложил путь для ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), гораздо более крупному и продвинутому токамаку. ITER — это многонациональный совместный проект, который в настоящее время строится в Кадараше (Франция) и должен быть введён в эксплуатацию к 2025 году. Опыт, полученный в ITER и других экспериментальных объектов в течение следующего десятилетия будут использоваться для разработки термоядерных электростанций. ITER будет использовать количество трития намного больше, чем использовалось в ранее построенных токамаках.

ITER

Задачи и промежуточные результаты

Физики изучают два класса систем для удержания горячей плазмы: системы, которые работают почти непрерывно и используют магнитные поля (синтез с магнитным удержанием); и те, которые работают с короткими импульсами, используя инерцию горячего топлива для кратковременного удержания его на месте (термоядерный синтез с инерционным удержанием).

Термоядерный синтез с инерционным удержанием возник сразу после изобретения лазеров. Идея состоит в том, чтобы сжать и нагреть небольшую таблетку замороженного DT-топлива до точки, при которой получаемое в результате сгорание топлива намного превышает потребляемую энергию.

Существует промежуточная концепция, называемая «магнито-инерционным» термоядерным синтезом, при котором ограниченная магнитным полем плазма быстро сжимается до более высокой плотности и температуры. Компания General Fusion объявила о планах строительства демонстрационной электростанции в Соединенном Королевстве.

Исследования в области термоядерной энергии — это глобальная задача. 35 стран, включая Великобританию, сотрудничают с ITER, крупнейшим в мире проекте, целью которого является демонстрация термоядерного синтеза для производства энергии в промышленных масштабах. Страны-партнеры ITER представляют 50% мирового населения и 90% мировой экономики. Наряду с ITER существует значительное количество правительств с национальными инициативами в области термоядерной энергетики. Также есть более 40 частных компаний по синтезу по всему миру.
Великобритания признана мировым лидером в области технологий термоядерного синтеза. Это означает, что Великобритания имеет потенциальные возможности для того, чтобы возглавить будущую коммерциализацию этой технологии.

Ряд государственных и частных организаций в настоящее время рассматривают проекты термоядерной энергии с целью создания опытных образцов станций в течение следующих 20 лет. Один из таких планов — STEP (Spherical Tokamak for Energy Production) от Управления по атомной энергии Великобритании (UKAEA). STEP и будущие электростанции будут производить собственный тритий во время эксплуатации.

Модель будущего STEP

В Соглашении о торговле и сотрудничестве (TCA) с ЕС, согласованном в конце 2020 года, Великобритания заявила о своем намерении присоединиться к Европейской Программе исследований атома (Евратом).
Помимо поддержки JET и подготовки ITER, Консорциум EUROfusion проектирует демонстрационную термоядерную электростанцию ​​под названием DEMO (DEMOnstration Power Plant) на базе ITER. Великобритания обеспечивает множество руководящих ролей и является одной из крупнейших участников программы DEMO.

Программа STEP дополняет работу частных компаний в Великобритании, действуя
как магнит для глобальных инвестиций. STEP не будет располагаться в Калэме, где расположен JET. Окончательное место размещения STEP официально ещё не озвучено.

Управление по атомной энергии Великобритании (UKAEA) проводит Программу повышения квалификации в Оксфордшире (OAS). С 2019 года OAS обучает до 350 технических стажеров в год, специализирующихся в таких областях, как энергетика, искусственный интеллект, робототехника и ядерное проектирование.
Программа Fusion Foundations также расширит стажировки в UKAEA. К 2025 году 1000 учеников пройдут обучение в области термоядерного синтеза и смежных областях в Оксфордшире и не только.

Задача правительства Великобритании — создать подходящие условия для UKAEA. Несмотря на технические проблемы, связанные с получением энергии термоядерного синтеза,
правительство признает необходимость действовать быстро, если Великобритания хочет коммерциализировать термоядерную энергию, темпами, также необходимыми для декарбонизации глобального производства энергии перед лицом роста потребности в энергетике.