Ardel'Fi (ardelfi) wrote,
Ardel'Fi
ardelfi

Хирш про термоядерный синтез

Как известно, доброе слово и скотине приятно. А для дерзких стартапов с частным финансированием, пытающихся зажечь самую трудную и самую экономически полезную термоядерную реакцию, доброе слово ещё и полезно, когда сказано влиятельным (на политику) учёным и бывшим руководителем амовской термоядерной программы Робертом Хиршем. Но этот человек замечен не только в интересе к синтезу, но и в других аспектах большой энергетики, что делает его взгляд особенно интересным. Однако и в столь высоком научно-техническом предмете замечен столь печально привычный обезьяний хвост. Изобилие подробностей дано в изложении одного из таких стартапов, и выборочно в оригинале.
Бывший глава американской программы по энергии синтеза, Роберт Хирш, в письме редактору журнала Physics Today публично высказался в поддержку исследований и разработок "намного более чистого синтеза" (реакции p+11B) в контексте определения государственной политики. Хирш остро раскритиковал существующие государственные программы по токамакам, и особенно проект ИТЭР. Хирш руководил государственной программой по синтезу в семидесятых, и отметил что ещё в 1994 исследования показали что токамак получится в шестьдесят раз массивнее реактора деления при равной мощности, и потому значительно дороже. С учётом фундаментальных проблем массогабарита, затрат и наведённой радиоактивности от дейтерий-тритиевого топлива, "остаётся лишь догадываться почему ИТЭР до сих пор строится". Вместо продолжения работ по токамакам и дейтерий-тритиевому топливу, Хирш утверждает что "переход к намного более чистой реакции синтеза кажется уместным". Особенный интерес представляет реакция p+11B, требующая значительно более труднодостижимых условий, но не дающая прямого выхода нейтронов. Отсутствие нейтронов практически исключает риски радиоактивности, что значительно улучшает экономику, упрощает лицензирование, и способствует общественному одобрению. Хирш отмечает что "к счастью, несколько проектов с частным финансированием работают над этой реакцией". Ранее Хирш принимал участие в работе комиссии, сделавшей вывод что работы по этой реакции заслуживают намного большего уровня инвестиций, с учётом уже достигнутого прогресса. Редакция Physics Today запросила ответ на письмо Хирша у Стивена Кроули, бывшего главы британского атомного агенства. В ответ тот написал много в защиту токамаков и ИТЭР, но не ответил на тезисы Хирша.
А вот и обезьяний хвост показался. Личные или групповые интересы в столь кормовом проекте как ИТЭР превышают любые рациональные тезисы, и экономическое или техническое обоснование. Напомню что первое зажигание дейтерий-тритиевой реакции в ИТЭР сейчас планируется на 2035 год, что практически неизбежно будет отложено -- составление двадцатилетних планов в этом печальном мегапроекте исторически не может рассматриваться иначе как плохая шутка. Однако пора взглянуть на сам текст письма Хирша.
Чтобы генерировать электроэнергию из термоядерных реакций, нужно чтобы реактор производил намного больше энергии чем требуется для нагрева и удержания плазмы. На протяжении десятилетий исследования по термоядерной энергии концентрировались преимущественно на магнитном удержании высокотемпературной плазмы. К сожалению исследователи в основном игнорировали вопрос практичности их подходов. В начале пятидесятых, когда было мало известно о физике плазмы, а методов диагностики плазмы было очень мало, было сформировано и испытано несколько подходов к магнитному удержанию плазмы. Со всеми были трудности, и ни один не дал желаемого результата. На протяжении десятилетий учёные тщательно подбирали конфигурации полей, но путь к практической энергии синтеза не был найден. Ситуация начала меняться в конце шестидесятых, когда было показано что русский токамак может быть перспективным подходом к удержанию плазмы. Система тороидального магнитного удержания в токамаке использовала дейтерий-тритиевое топливо для генерации энергии синтеза. Такое топливо требует температуры плазмы порядка сотен миллионов градусов, а продукты реакции состоят из ионов и большого количества нейтронов.

Из-за ранних успехов токамаков учёные всего мира оставили другие подходы, и начали экспериментировать с токамаками. Одновременно инженеры начали проектировать электростанции на основе токамаков. В восьмидесятых возникла идея постройки большого международного прототипа токамака, который сегодня называется ИТЭР. Целью этого эксперимента стала демонстрация стабильной тепловой мощности 500МВт. С самого начала проекта возникли проблемы с разработкой. Во-первых, инженерный анализ токамака поставил вопрос экономической целесообразности, что привело к прекращению многих работ по токамакам в мире. Во-вторых, время и затраты на постройку ИТЭР оказались отчаянно оптимистичными; затраты выросли, а дата завершения строительства постоянно отодвигалась. В идеальных условиях это привело бы к полному переосмыслению роли токамаков в термоядерной энергетике. Однако для многих учёных, руководителей и правительств проект стал представлять большой личный интерес, а пересмотр или закрытие проекта стало бы большим ударом по репутации, потому никаких существенных изменений не было сделано.

Достаточные условия для применения токамаков в электроэнергетике были сформулированы в 1994 в результате работы специальной комиссии EPRI (института исследования электрической энергии). Главными критериями практичности термоядерной энергии были названы: экономическая целесообразность, простота лицензирования, и общественное одробрение. Поскольку врядли какой-либо источник электроэнергии может иметь высокие показатели по всем трём критериям, неизбежны некоторые компромисы. Ниже рассмотрены эти критерии для реактора на основе токамака.

1. Экономика. Исследование ORNL 1994 года показало что активная зона раннего дизайна ИТЭР будет в 60+ раз больше чем у ядерного реактора той же мощности, что указывает на соразмерную разницу в затратах на постройку. Одного этого должно было оказаться достаточно чтобы пересмотреть проект, но увы. Независимо от используемых конструкционных материалов, конструкции подобной ИТЭР термоядерной электростанции будут подвергаться активации мощным потоком нейтронов. Затраты на обращение с радиоактивными материалами будут значительными, вдобавок к стоимости постройки реактора. Первоначальная оценка стоимости была порядка 5.6 гигабаксов, сейчас эта оценка увеличилась примерно в десять раз. Однако даже если уроки ИТЭР позволят в будущем сократить затраты на подобные реакторы, история превышения запланированных расходов негативно повлияет на перспективы постройки термоядерных электростанций такого типа.

2. Лицензирование. В 2009 комиссия по атомной энергии штатов объявила что берёт контроль над лицензированием термоядерных установок. Следует ожидать что практика регулирования ядерной энергетики с реакторами деления будет использована и для термоядерных реакторов. Удержание плазмы в токамаках класса ИТЭР будет реализовано огромными сверхпроводящими магнитами, для которых существует небольшая но значимая вероятность потери сверхпроводимости и выделения огромного количества энергии. Соответственно, регулятор наверняка потребует установку крупного контейнмента вокруг реактора для защиты от взрывного выброса радиоактивных материалов. Из-за огромного размера станции с реактором класса ИТЭР, затраты на такой контейнмент значительно увеличат общую стоимость постройки. Никто пока не оценивал масштаб этих затрат, а требование контейнмента пока игнорируется исследователями. Также, по модели регулирования использования ядерных реакторов, регулятор потребует огромное количество небольших изменений в проекте масштаба ИТЭР для защиты персонала и общественной безопасности. Такие изменения ещё предстоит определить, однако они всегдаа увеличивают сложность лицензирования.

3. Общественное одобрение. Термоядерный синтез справедливо назван основным источником энергии во вселенной, хотя обществу это мало интересно. Синтез был назван принципиально безопасным, что справедливо для плазмы. Однако общество не знает о высоком уровне радиоактивности, и угрозе безопасности от сверхпроводящих магнитов. Когда огромные затраты, большое количество радиоактивности, и проблемы с безопасностью станут известны, общественное одобрение существенно уменьшится. Остаётся лишь догадываться почему ИТЭР до сих пор строится. Игнорируют ли исследователи предупреждения? Возможно они предпочли отвернуться и спрятаться от реальностей дорогого им подхода. А где были представители правительств, ответственные за контроль над исследованиями по термоядерному синтезу? Пресса также не обращает внимание на всё это. Когда правда о нынешних экспериментах с синтезом в токамаках будет признана, печальные последствия будут масштабными.

Однако условие необходимости и достаточности для термоядерной энергии можно выполнить другими способами. На основе опыта исследований с токамаками, и других исследований по физике плазмы, инженерных исследований, и критериев EPRI, требуется переход к другой термоядерной реакции. Особый интерес представляет реакция синтеза протона и бора-11, требующая значительно более труднодостижимых условий, но не дающая прямого выхода нейтронов. Отсутствие нейтронов в основном устраняет риски из-за радиоактивности, и значительно улучшает экономику, упрощает лицензирование, и получение общественного одобрения. К счастью, несколько проектов с частным финансированием работают над реализацией этого подхода. Хотя он более труден в физическом аспекте, он возможен, и такие системы имеют шанс стать достаточными. Токамаки класса ИТЭР не соответствуют критериям, но системы с другим топливом могут достичь успеха. Объективный инженерный анализ срочно требуется для проверки недостатков токамаков класса ИТЭР. Основательная реорганизация исследований по термоядерному синтезу и более целенаправленная программа исследований может привести к созданию достаточной термоядерной электростанции.
Что-то добавить к этому трудно. С точки зрения экономики, даже в качестве чисто научного проекта ИТЭРа сегодня быть не должно, а все причастные должны вернуться в свои универы навсегда, если они ещё могут что-то сделать в науке. Нельзя просто так превысить затраты на порядок, и остаться в живых и строить планы на следующие 20 лет. Но поскольку финансирование ИТЭР и альтернативных проектов ведётся разными группами из разных источников, конюшни ИТЭРа в целом не мешают работам по экономически целесообразной термоядерной энергетике. Конечно, есть одно крайне печальное исключение -- ИЯФ в РФ, который похоже заперт в государственно-академической иерархии, что может рассматриваться как препятствие и для внешних инвестиций, и для развития этого подхода к построению термоядерного реактора. Остаётся лишь надежда на дикий капитализм с его внезапным и жадным интересом к термоядерному синтезу. С поддержкой таких людей как Хирш, альтернативные проекты получат (или скорее уже получили) свой шанс сделать необходимую и достаточную термоядерную электростанцию, какой бы она у них ни получилась в результате.
Tags: техника, человеческий фактор, ядерщина
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 43 comments