[Перевод] ITER как прекрасный пример недостатков в добыче энергии из термоядерного синтеза
Год назад я критиковал термоядерный синтез как источник энергии в статье «Термоядерные реакторы: не такие, какие должны были быть». Статья вызвала большой интерес, и меня попросили написать продолжение, чтобы продолжить обсуждение темы с читателями журнала Bulletin. Но сначала, небольшое резюме для тех, кто только что к нам присоединился.
Я физик, исследователь, 25 лет работавший над экспериментами с ядерным синтезом в Лаборатории физики плазмы в Принстоне, Нью-Джерси. Меня интересовали исследования в области физики плазмы и производстве нейтронов, связанном с исследованиями и разработкой ядерной энергии. Теперь я на пенсии, и могу взглянуть на всю эту область бесстрастно, и мне кажется, что коммерческий термоядерный реактор привнесёт больше проблем, чем сможет решить.
Поэтому я чувствую, что должен развеять всякие сенсации, появившиеся вокруг темы термоядерной энергии, которую часто называют «идеальным» источником энергии, и представляют, как волшебное решение мировых энергетических проблем. В прошлогодней статье доказывалось, что все постоянно рекламируемые возможности этой идеальной энергии (обычно это «нескончаемая, дешёвая, чистая, безопасная, свободная от радиации») разбиваются о жестокую реальность, и что термоядерный реактор на самом деле приближается к противоположности идеи об идеальном источнике энергии. Но в той статье в основном обсуждались недостатки концептуальных термоядерных реакторов, и сторонники этой идеи продолжают настаивать на том, что эти недочёты когда-нибудь как-нибудь будут исправлены.
Однако сейчас мы уже подошли к той точке, в которой мы впервые можем исследовать прототип термоядерной электростанции в реальном мире: Международный экспериментальный термоядерный реактор (Thermonuclear Experimental Reactor, ITER), который сейчас строят в Кадараше на юге Франции. И хотя до его запуска ещё остаются годы, проект ITER достаточно продвинулся для того, чтобы его можно было изучить как проверочный случай бубликовой схемы, известной, как токамак — наиболее многообещающий подход к получению термоядерной энергии на Земле на основе магнитной ловушки. В декабре 2017 года руководство проекта ITER объявило об окончании 50% задач по строительству. Эта важная эха позволяет надеяться на завершение этого проекта, единственной установки на Земле, хотя бы отдалённо напоминающей практический термоядерный реактор. Как писала The New York Times, эта установка «строится, чтобы проверить давнюю мечту: что ядерный синтез, атомную реакцию, проходящую в Солнце и в водородных бомбах, можно контролировать и добывать из неё энергию».
Физики плазмы относятся к ITER как к первой магнитной ловушке, которая в принципе будет способна продемонстрировать «горящую плазму», в которой разогрев альфа-частицами, появляющимися в ядерных реакциях, станет основным способом поддержки температуры плазмы. Такие условия требуют, чтобы термоядерная энергия была как минимум в пять раз больше внешней разогревающей плазму энергии. И хотя эту энергию не будут превращать в электричество, проект ITER в основном считается критическим шагом по дороге к созданию практической термоядерной электростанции — именно этим заявлением мы и займёмся.
Давайте посмотрим, какие выводы можно сделать из неисправимых недостатков термоядерных реакторов, изучив проект ITER, концентрируясь на четырёх областях: потребление электричества, потери тритиевого топлива, активация нейтронов и потребность в охлаждающей воде. Физическая схема этого проекта стоимостью в $20–30 млрд показана на фото ниже.
Ошибочный девиз
На сайте ITER посетителя встречают заявлением «Неограниченная энергия» — боевым кличем энтузиастов термоядерной энергии всего мира. Ирония этого лозунга проходит мимо участников проекта и публики. Но все, кто следил за строительством проекта последние пять лет –, а за ним легко следить по фотографиям и описаниям на сайте проекта — были бы удивлены огромным количеством потраченной на него энергии.
Сайт, по сути, похваляется этой вложенной энергией, рекламируя каждую из подсистем ITER как самую большую систему данного вида. К примеру криостат, холодильник на жидком гелии, является самым большим вакуумным контейнером из нержавеющей стали в мире, а сам токамак будет весить как три Эйфелевых башни. Общий вес основной установки ITER составит 400 000 тонн, из которых самыми тяжёлыми будут основание и здания весом 340 000 тонн и сам токамак весом 23 000 тонн.
Но этим надо не восторгаться, а ужасаться, поскольку «самый большой» означает большое вложение капиталов и энергии, которое должно оказаться на стороне «кредит» энергетического гроссбуха. И большая часть этой энергии была получена из ископаемого топлива, что оставило невероятно огромный «углеродный отпечаток» на подготовке для строительства и самом строительстве всех подсобных зданий и непосредственно реактора.
На месте строительства реактора машины, работающие на ископаемом топливе, роют огромные объёмы земли на глубину в 20 м, изготавливают и заливают бесчисленные тонны цемента. Крупнейшие грузовики мира (работающие на ископаемом топливе) перевозят огромные компоненты реактора на место строительства. Ископаемое топливо сжигается при раскопке, перевозке и обработке материалов, необходимых для изготовления компонентов термоядерного реактора.
Можно поинтересоваться, сколько из потраченной на это энергии удастся вернуть –, но вернуть её, конечно, не получится. Но материализация этих невероятных трат энергии — лишь первый компонент иронии, связанной с «неограниченной энергией».
Рядом с этими зданиями на площади в 4 гектара находится электростанция с массивными подстанциями, передающими до 600 МВт электричества из местной электрической сети — этого достаточно для питания города средней величины. Эта энергия потребуется для поддержки рабочих нужд ITER; никакая энергия никогда не пойдёт наружу, поскольку конструкция ITER не предусматривает превращения термоядерной энергии в электричество. Вспомните, что ITER — это проверочная аппаратура, она только продемонстрирует работоспособность концепции имитации внутренней части Солнца и соединения атомов под контролем; ITER не предназначается для генерации электричества.
Наличие электрической подстанции говорит об огромных энергетических затратах на работу проекта ITER — и вообще любой установки для синтеза. Термоядерные реакторы — установки экспериментальные, и в них происходит два вида потребления электричества. Первый — необходимые вспомогательные системы, например, криостаты, вакуумные насосы, обогрев, вентиляция и кондиционирование зданий; эта энергия тратится всё время, даже когда плазма неактивна. В случае с ITER этот непрерываемый поток электричества находится в пределах 75–110 МВт, как писал Дж. С. Гаскон с соавторами в статье 2012 года для журнала Fusion Science & Technology, «Design and Key Features for the ITER Electrical Power Distribution».
Второй вид потребления связан с самой плазмой и работает импульсно. Для ITER потребуется не менее 300 МВт на несколько десятков секунд для разогрева плазмы и установления её необходимых потоков. В 400-секундной рабочей фазе потребуется порядка 200 МВт для поддержки термоядерного горения и контроля за стабильностью плазмы.
Даже во время оставшихся восьми лет строительства электростанции потребление энергии будет находиться в районе 30 МВт — это ещё одна добавка к общей сумме трат, предшествующая будущим непрерываемым тратам энергии.
Однако большая часть информации об энергетических тратах — и особенности того, что ITER будет генерировать не электричество, а тепло — была утеряна, когда проект представляли общественности.
Правда об энергии
На сайте New Energy Times недавно выложили подробную статью «Миф об энергетическом умножении ITER», описывающую, как департамент по связям с общественностью этой установки распространил плохо сформулированную информацию и сбил с толку СМИ. Типичное распространяемое заявление выглядит как «ITER будет выдавать 500 МВт энергии, потребляя 50 МВт», из которого вроде бы следует, что оба числа описывают электрическую энергию.
Сайт чётко описывает, что эти 500 МВт выходной энергии относятся к энергии синтеза, содержащейся в нейтронах и альфа-частицах, и не имеют отношения к электричеству. А упомянутые 50 МВт относятся к энергии, передаваемой в плазму для поддержки её температуры и токов — и это лишь малая часть общего энергетического потребления реактора. Как упомянуто ранее, она варьируется от 300 до 400 МВт.
Критика New Energy Times технически правильна и привлекает внимание к колоссальным запросам электричества, предъявляемым любой термоядерной установкой. Всегда считалось известным, что для запуска любой термоядерной системы требуется огромная энергия. Но токамак-системы также требуют сотен мегаватт электрической энергии просто для работы.
Однако с рекламируемой работой ITER есть и более серьёзные проблемы, чем неправильное описание потребляемой и выделяемой энергии. С тем, что установка будет потреблять 300 МВт или более энергии, никто не спорит — основной вопрос в том, выдаст ли ITER 500 МВт хоть какой-то энергии. А этот вопрос касается жизненно важного тритиевого топлива — его поставок, желания его использовать и необходимых для оптимизации его использования действий. Среди других неверных представлений находится и реальная природа продукта синтеза.
Проблемы с тритием
Самым активным топливом для синтеза будет смесь из изотопов водорода, дейтерия и трития, в пропорции 50–50. Это топливо, которое часто записывают, как D-T, по выходу нейтронов в 100 раз больше превышает чистый дейтерий, но также превышает его и по радиоактивным последствиям.
Дейтерия достаточно много в обычной воде, но естественных залежей трития не бывает — период полураспада этого изотопа составляет всего 12,3 года. На сайте ITER утверждается, что тритиевое топливо проект будет брать из «мировых запасов трития». Эти запасы состоят из трития, извлечённого из тяжёлой воды ядерных реакторов CANDU, которые в основном расположены в Онтарио в Канаде, а ещё встречаются в Южной Корее. Также потенциально топливо можно получить из Румынии. Сегодняшние «мировые запасы» трития — это порядка 25 кг, и увеличиваются они примерно на полкило в год, как писали в статье от 2013 года под названием «Оценка запасов трития для ITER» в журнале Fusion Engineering and Design. Пика запасы трития должны достичь до 2030 года.
Хотя сторонники термояда радостно рассказывают о синтезе из дейтерия и трития, на самом деле они крайне бояться использовать тритий по двум причинам: во-первых, он радиоактивен, поэтому существуют проблемы безопасности, связанные с возможностью его выброса в окружающую среду. Во-вторых, при бомбардировке корпуса реактора нейтронами происходит неизбежное получение радиоактивных материалов, что требует усиления защиты, что, в свою очередь, серьёзно затрудняет доступ к реактору для его обслуживания и порождает проблемы, связанные с хранением радиоактивных отходов.
За 65 лет исследований в сотнях установок тритий использовали только две системы с магнитными ловушками: Tokamak Fusion Test Reactor в моей старой лаборатории плазмы в Принстоне, и Joint European Tokamak в районе деревни Калхэм, Великобритания.
Текущие планы ITER включают приобретение и потребление не менее 1 кг трития в год. Если предположить, что проекту удастся найти подходящий источник трития и набраться смелости для его использования, будет ли достигнута цель в 500 МВт энергии синтеза? Никто не знает.
«Первая плазма» в ITER должна произойти в 2025 году. За ней последуют неторопливые 10 лет продолжения сборки машин и периодических запусков плазмы при помощи водорода и гелия. Эти газы не выдают нейтронов, и потому позволят решить проблемы и провести оптимизацию работы плазмы с минимальной радиационной опасностью. Нестабильность плазмы нужно удерживать в рамках, и её будут разогревать и поддерживать при высокой температуре. Поэтому необходимо будет сократить приток атомов, отличных от водорода.
По графику ITER начнёт использовать дейтерий и тритий в конце 2030-х. Но нет никаких гарантий, что у него получится дойти до цели в 500 МВт; для генерации большого объёма термоядерной энергии, среди прочего, требуется выработать оптимальный рецепт вброса дейтерия и трития в виде замороженных шариков, поддерживать лучи из частиц, накачку газа и переработку отходов. Во время неизбежного метода проб и ошибок в начале 2040-х энергия синтеза на ITER скорее всего достигнет лишь малой доли 500 МВт, а весь использованный тритий будет утерян.
Анализ использования D-T на ITER говорит о том, что лишь 2% введённого трития сгорит, поэтому 98% трития выйдет невредимым. И хотя довольно большая часть трития будет просто выходить через выхлоп плазмы, много трития придётся постоянно собирать с поверхностей ёмкости реактора, лучевых инжекторов, насосных каналов и других устройств. Атомы трития, несколько раз проходя все эти круги ада, через плазму, вакуум, системы переработки и питания, частично окажутся в вечной ловушке в стенках реактора и его компонентов, а также в системе диагностики и разогрева плазмы.
Просачивание трития при высоких температурах во многие материалы до сих пор изучено плохо, как объясняли Р.А. Каузи и его соавторы в статье «Тритиевые барьеры и рассеивание трития в термоядерных реакторах». Возможно, просачивание небольшой части пойманного трития в стенки, а затем в каналы жидкого и газообразного охладителей не удастся избежать. Большая часть этого трития в итоге распадётся, но он неизбежно будет попадать в окружающую среду через циркулирующую воду, охлаждающую реактор.
Разработчики токамаков будущего обычно предполагают, что весь сгоревший тритий будет заменён благодаря поглощению нейтронов литием, окружающим плазму. Но и эта фантазия полностью игнорирует тот тритий, что будет потерян в различных частях подсистем реактора. ITER продемонстрирует, что накопления потерянного трития могут превзойти по объёму сожжённый и их можно будет заменить, только покупая дорогой тритий из ядерных реакторов.
Радиация и радиоактивные отходы термояда
Как было отмечено ранее, в ITER ожидается производство 500 МВт термоядерной, а не электрической, энергии. Но что сторонники термояда не говорят вам, так это что полученная термоядерная энергия будет не каким-нибудь там невинным излучением типа солнечного, а на 80% будет состоять из потоков высокоэнергетических нейтронов, основным итогом наличия которых будет только производство огромного количества радиоактивных отходов при бомбардировке стенок реактора и его компонентов.
Только 2% нейтронов будет перехвачено проверочными модулями, используемыми для изучения появления трития в литии, а 98% потоков нейтронов просто будут сталкиваться со стенками реактора или устройствами, там расположенными.
В ядерных реакторах не более 3% энергии распада переходит в нейтроны. Но ITER будет похож на какую-то бытовую технику, которая преобразует сотни мегаватт электричества в потоки нейтронов. Странная особенность реакторов на D-T состоит в том, что подавляющая часть тепловой энергии производится не в плазме, а внутри толстых стальных стенок реактора, рассеивающих энергию от столкновения с нейтронами. В принципе эту тепловую нейтронную энергию можно как-то превратить обратно в электричество, с очень низкой эффективностью, но при разработке проекта ITER эту проблему решили не решать. Эту задачу отложили до постройки так называемых «демонстрационных реакторов», которые сторонники термояда планируют построить во второй половине столетия.
Давно известной проблемой термоядерной энергии служит повреждение материалов, открытых нейтронному излучению, из-за чего они разбухают, делаются хрупкими и быстро изнашиваются. Но так получилось, что общее время работы ITER с высоким выходом нейтронов будет слишком малым для того, чтобы пострадала структура реактора, однако взаимодействия с нейтронами всё равно приведут к появлению опасной радиоактивности у компонентов реактора, в результате чего появится невообразимое количество радиоактивных отходов — 30 000 тонн.
Токамак в ITER будет окружать чудовищный бетонный цилиндр толщиной в 3,5 м, диаметром в 30 м и высотой в 30 м, называемый биощитом. Он будет защищать внешний мир от рентгеновского излучения, гамма-лучей и случайных нейтронов. Сосуд реактора и неструктурные компоненты как внутри, так и снаружи реактора, находящиеся внутри этого биощита, станут чрезвычайно радиоактивными из-за потоков нейтронов. Времени на обслуживание и ремонт будет требоваться больше, поскольку всё это обслуживание будет идти при помощи оборудования с удалённым управлением.
От гораздо более мелкого экспериментального проекта ДЖЭТ в Британии радиоактивных отходов ожидается порядка 3000 кубических метров, а стоимость вывода его из эксплуатации оценивается в $300 млн, согласно Financial Times. Но эти цифры меркнут перед 30 000 тоннами радиоактивных отходов ITER. К счастью, большая часть этой наведённой радиоактивности пропадёт за несколько десятилетий, но и по прошествии 100 лет порядка 6000 тонн отходов будут всё ещё опасными, и их нужно будет хранить в специальном хранилище, как указано в разделе «Отходы и вывод из эксплуатации» окончательной схемы ITER.
Периодическая транспортировка и хранение радиоактивных компонентов за пределами площадей проекта, а также итоговый вывод из эксплуатации всего реакторного комплекса — это затратные по энергии задачи, которые ещё сильнее повлияют на расходную часть энергетического гроссбуха.
Водный мир
Для отвода тепла от реактора ITER, систем разогрева плазмы, электрических систем токамака, криогенных холодильников и питания магнитов потребуются потоки воды. Если учитывать термоядерную реакцию, общая тепловая энергия может достигать 1000 МВт, но даже и без термоядерной реакции комплекс будет потреблять до 500 МВт энергии, которая в итоге всё равно превратится в тепло, подлежащее отводу. ITER продемонстрирует, что термоядерные энергии потребляют гораздо больше воды, чем любая другая энергетическая установка из-за огромных паразитных потреблений энергии, превращающихся в дополнительное тепло, которое необходимо отводит (под паразитными понимается поглощение той же энергии, которую производит сам реактор).
Вода для охлаждения будет браться из Прованского канала, отведённого от реки Дюранс, а большая часть тепла будет выделяться в атмосферу при помощи охлаждающих башен. Во время работы реактора суммарный поток охлаждающей воды составит 12 кубических метров в минуту — более трети потока в самом канале. Такой поток способен поддерживать функционирование города с миллионным населением (повседневная потребность ITER в воде будет гораздо меньше, поскольку импульсы мощности реактора будут длиться по 400 секунд количеством до 20 импульсов в день, а охлаждающая вода будет использоваться повторно).
И хотя ITER не производит ничего, кроме нейтронов, его максимальный поток охлаждающей жидкости всё равно составит почти половину потока реально работающей станции, сжигающей уголь или ядерное топливо, и выдающей по 1000 МВт электрической энергии. В ITER помпы, перекачивающие воду по 36 километрам труб системы охлаждения, будут потреблять 56 МВт энергии.
Такая крупная термоядерная станция, как ITER, может работать только в таких местах, как французский Кадараш, где существует доступ ко множеству мощных линий электропередач и к системе подачи воды. За прошедшие десятилетия изобилие пресной воды и неограниченная холодная вода из океана сделали возможным реализацию большого количества термоэлектрических станций гигаваттных мощностей. Учитывая уменьшение доступности пресной воды и даже холодной океанской воды, трудности с поставкой охлаждающей жидкости сами по себе сделают широкое применение термоядерных реакторов непрактичным.
Влияние ITER
Хорошо будет работать ITER или плохо, главным его наследием будет впечатляющий пример многолетней международной кооперации разных государств, как политически дружественных, так и настроенных довольно враждебно — совсем как у Международной космической станции. Критики утверждают, что международное сотрудничество сильно увеличило стоимость и длительность постройки проекта, но стоимость в $20–30 млрд не выходит за рамки крупных ядерных проектов — таких, например, как электростанции, строительство которых было разрешено в последние годы в США (Ви-Си Саммер и Вогтль) [новые блоки на Ви-Си Саммер должна была строить компания Westinghouse, но чрезмерное раздутие стоимости и сроков проекта, а также прочие проблемы, привели к банкротству компании; строительство блоков отменено. В декабре 2012 года во время транспортировки по железной дороге в США нового 300 тонного ядерного реактора для АЭС Вогтль, изготовленного в Южной Корее, платформа с ним серьезно накренилась, практически до земли. Тем не менее, реактор поврежден не был. / прим. перев.] и в Западной Европе (Хинкли и Фламанвиль) [чрезмерное удорожание проекта Хинкли поставили под вопрос его завершение; на действующей АЭС Фламанвиль за последние шесть лет произошло две аварии (без последствий для окружающей среды), а стоимость строительства нового блока выросла уже в три раза по сравнению с первоначальной, при этом строительство продолжается / прим. перев.], а также проект ядерного топлива МОХ в регионе США Саванна-Ривер [рядом с ядерным могильником / прим. перев.]. Все эти проекты испытали утроение стоимости постройки, а время возведения увеличивалось на года и даже десятилетия. Основная проблема в том, что все атомные электростанции — будь то синтез или распад — чрезвычайно сложны и непомерно дороги [строительство двух энергоблоков первой очереди Тяньваньской АЭС, которую «Росатом» строила для Китая, обошлось в $3 млрд и заняло 11 лет. Третий энергоблок был построен за 5 лет / прим. перев.].
Вторая неоценимая роль ITER будет заключаться в его влиянии на планирование энергогенерирующих систем. В случае успеха ITER позволит физикам изучать долгоживущую высокотемпературную синтезирующую плазму. Но в качестве прототипа электростанции ITER, очевидно, будет сеющим опустошение и разорение источником нейтронов, питаемым тритием, производимым в ядерных реакторах, потребляющим сотни мегаватт электричества из местной энергосети и требующим беспрецедентные объёмы воды для охлаждения. Повреждения из-за нейтронов усилятся, а остальные характеристики останутся такими же в любом последующем термоядерном реакторе, созданном в попытке генерировать достаточно электричества, чтобы превзойти собственные запросы.
Сталкиваясь с такой реальностью, даже энергетические планировщики с ярче всего горящими глазами могут захотеть отказаться от термоядерной энергии. Вместо провозглашения зари новой энергетической эры, ITER, скорее всего, будет играть роль, аналогичную быстрым реакторам-размножителям, чьи недостатки не дали появиться ещё одному мнимому источнику «безграничной энергии» и обеспечили доминирование реакторов на лёгкой воде [в России работают реакторы-размножители, а через два года будет построен новый уникальный реактор на быстрых нейтронах со свинцовым охлаждением / прим. перев.]
