Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Методология науки
Избранное
Публичные лекции
Лекции для школьников
Библиотека «Династии»
Интервью
Опубликовано полностью
В популярных журналах
Из Книжного клуба
Статьи наших друзей
Статьи лауреатов «Династии»
Выставка
Происхождение жизни
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Новости науки

 
10.03
Глобальное потепление создало экологическую ловушку для очковых пингвинов

09.03
При помощи вибрационных сигналов гусеницы зазывают товарищей и прогоняют конкурентов

06.03
Что общего у голых землекопов и «голых обезьян»?

03.03
Древние и продвинутые виды сосуществовали после глобального пермо-триасового вымирания

02.03
Выяснилось, как именно ацетилирование регулирует активность белка p53






Главная / Библиотека / Публичные лекции версия для печати

На пути к термоядерной энергетике (ответы на вопросы после лекции)

Кристофер Ллуэллин-Смит,
профессор Оксфордского университета, председатель Совета ИТЭР, председатель Совета СЕЗАМа

Вернуться к лекции

В. А. Рубаков. Ну что ж, эта лекция теперь открыта для вопросов. Пожалуйста, вопросы. Поднимайте руки и дождитесь, пожалуйста, когда к вам подойдут девушки и товарищи с микрофоном. Пожалуйста.

Вопрос. Большое вам спасибо за очень интересную лекцию. У меня есть один небольшой вопрос, в связи с тем, что неделю назад у нас была публикация в газете по поводу ITER. Она была о том, что ITER — это хорошо, но, вероятно, американцы выиграют гонку за создание систем с направленным внутрь лазером. Каково ваше мнение о перспективах лазера?

К. Ллуэллин-Смит. Очень хороший вопрос. Вопрос этот касается того, что называют инерциальным термоядерным синтезом. Я его не упомянул, а не упомянул я его потому, что хотя и считаю, что мы должны его развивать, но думаю, что он обещает намного меньше. В инерциальном синтезе используются крошечные гранулы дейтерия, трития и лития, покрытые пластиком. На них фокусируются лазеры, пластик выгорает, и это приводит к сжатию материала до фантастической плотности — и в результате может произойти реакция термоядерного синтеза. Так что это похоже на миниатюрную водородную бомбу. То, о чем я говорю, очень сильно отличается от ядерного оружия, но в этих экспериментах возникают те же условия, и похожие эксперименты проводят для разработки ядерного оружия. Разработка электростанции на базе этой технологии отстает, быть может, на одно или два поколения, и на ее пути стоят дополнительные трудности.

Предположим, нам удастся добиться, чтобы она заработала. Мы столкнемся с совершенно теми же проблемами, касающимися материалов, но будут и дополнительные проблемы. Чтобы всё это работало, лазеры должны работать с частотой примерно пять раз в секунду. А в настоящий момент такие лазеры работают один раз в несколько дней. В частности, установка в Ливерморе в США может выстреливать только двенадцать раз в год. Кроме того, сами гранулы должны быть изготовлены очень тщательно. Сегодня они стоят несколько тысяч долларов — за одну штуку. Их стоимость должна снизиться где-то до десяти центов или около того. Итак, нельзя сказать, что это невозможно, но это очень сложная задача. К тому же, есть не менее сложная задача: как добиться устойчивости таких сложных систем. Кроме того, лазеры имеют довольно низкий КПД. Энергия, поступающая в лазерный луч, составляет где-то лишь один процент от энергии, затрачиваемой на его создание. Вот еще одна сложная задача. Но, по-моему, нам стоит над всем этим работать.

Вопрос. Хорошо, что вы мне дали возможность сейчас задать вопрос, потому что он имеет отношение к масштабам эксперимента. Вот вы употребили [выражение], что там маленькие объемы берутся, и время тоже масштабировано. А в том, что предлагается, имеет ли масштаб эксперимента какое-нибудь значение? Я даже поясню, что я имею в виду: взаимодействие с окружающей средой. Токамак, который в лаборатории испытывается, и токамак, который хотят построить (европейский, большого масштаба): имеет ли масштаб значение для порождения новых неустойчивостей?

К. Ллуэллин-Смит. Вопрос, если я правильно понял, о возможном влиянии на окружающую среду масштабов неустойчивости токамака. Правильно? (Задавший вопрос что-то поясняет, упоминая ЦЕРН.) А, вопрос о том, что произошло в Швейцарии, в ЦЕРНе! Это совершенно другая технология, совершенно другие причины, они здесь ни при чем. Размер токамака, грубо говоря, должен быть очень большим, чтобы он мог производить больше энергии, чем потребляет. Но если вы были на обычной электростанции, а они очень большие, то по сравнению с ними он небольшой. Что касается влияния на окружающую среду, то здесь могут быть два типа вреда. Первый — это радиоактивность, на больших отрезках времени. Но здесь эта проблема намного меньше, чем на атомных станциях. Мы живем с этой проблемой на атомных станциях уже пятьдесят лет. Есть еще одна проблема — это утечки трития. Но количество этого трития совсем-совсем небольшое. Предотвратить его утечку довольно просто. Даже если произойдет утечка большого количества трития, он не принесет огромного вреда. Но полная безопасности невозможна.

Вопрос. А сколько такая штука проживет, даже если она будет построена? Сколько лет она сможет функционировать после того, как будет построена? Я спрашиваю про ITER и про «DEMO».

К. Ллуэллин-Смит. Для ITER этот срок будет лет двадцать. После того как он будет построен, он проработает где-то лет двадцать. Может быть и больше, лет тридцать. Для электростанции, в долгосрочной перспективе, если стремиться, чтобы она была экономически выгодна, надо исходить из того, что она будет работать где-нибудь лет сорок.

Вопрос. Здравствуйте! У меня такой вопрос: вот вы говорили, что есть некоторые проблемы с финансированием, и я хотел бы узнать, а сами нефтяные компании, ну или компании, которые используют сгораемое топливо (ископаемое), они не понимают, что через какое-то время, через пятьдесят лет, через сто лет, их топливо, собственно, закончится, и их деньги тоже? Ведь наверняка они это понимают и вкладывают деньги в перспективные проекты по энергетике. Как вы можете это прокомментировать? Спасибо.

К. Ллуэллин-Смит. Очень хороший вопрос. В настоящий момент деньги поступают — государственные деньги. Думаю, их нам хватит, чтобы построить ITER. Но нефтяные компании начинают проявлять интерес. Однако всё это затрудняет одна вещь — капитализм. Нефтяные компании стремятся получать прибыль. В своем стремлении получать прибыль они смотрят в будущее лет на пять. А мы здесь говорим о коммерческом использовании термоядерного синтеза, которое начнется уже после «DEMO», а стало быть, лет через сорок. Весьма маловероятно, что частные средства были бы вложены в такой долгосрочный проект, даже если бы ему был гарантирован стопроцентный успех, а стопроцентный успех ему не гарантирован. Кроме того, на таких отрезках времени чрезвычайно сложно сохранять технологии в тайне. Компании сложно хранить технологии в тайне для частного использования в течение сорока лет — это почти невозможно.

Вопрос. Реакция [термоядерного синтеза] имеет выход энергии в тысячу раз больше, чем вы вкладываете. В токамаке заложено всего в десять раз больше. То есть токамак по определению имеет очень низкую эффективность, поскольку в нем отсутствует внутренний механизм, который позволял бы это делать, типа как цепная реакция в атомной бомбе. Что вы думаете о других механизмах образования плазмы, то, что называется по-английски field-reversed configuration, мы называем это «компактные торы», где имеется внутренний механизм сжатия, достаточно эффективный для сжатия плазмы?

К. Ллуэллин-Смит. Первый вопрос, по-моему, был о КПД токамака по сравнению с инерциальным термоядом. Важно понимать, что токамак должен работать непрерывно. В то время как инерциальный термояд идет в пульсирующем режиме — с частотой где-то раз пять в секунду. Поэтому инерциальный термояд должен давать намного больший выход энергии, в особенности в связи с тем, что у лазеров КПД очень-очень низкий. Поэтому при инерциальном термояде абсолютно необходимо, чтобы плазма была полностью самозажигающейся, самоподдерживающейся. При инерциальном термояде необходима полностью сгорающая плазма. Другими словами, необходим поджиг — вот подходящее слово. Поджиг жизненно важен для инерциального термояда. А при магнитном термояде поджиг нам вовсе не нужен, потому что мы лучше управляем плазмой, без всякого поджига. А что касается технологии компактных торов, то здесь конфигурация другая — кстати, разработанная в Великобритании, но мы, в Великобритании, над ней не работаем. Она уступает токамаку.

Вопрос. Ставит ли проблема создания ITER новые вопросы перед фундаментальной теоретической физикой или теоретически уже более или менее всё ясно?

К. Ллуэллин-Смит. Это очень хороший вопрос. У нас никогда не было сгорающей плазмы. Здесь имеется в виду не поджиг: сгорание означает, что большая часть тепла поступает от термоядерного синтеза. Возможно, что там проявятся новые физические эффекты. Это возможно. Мы не думаем, что это так, но всё это нужно проверить. Так что в ITER вполне могут проявиться новые физические эффекты.

Вопрос. Будьте добры, скажите, как вы относитесь к перспективе замены, хотя бы в будущем, трития в токамаках на дейтерий или на гелий-3.

К. Ллуэллин-Смит. Существует реакция термоядерного синтеза с участием бора и гелия-3, и есть реакции, не производящие нейтроны. Всё это, на первый взгляд, интересно: никакой радиоактивности! Однако для этих реакций нужна гораздо большая температура. Очень трудно осуществить это и с дейтерием и тритием, а с этими реакциями всё будет еще гораздо сложнее. Кроме того, гелия-3 имеется не так уж много, если мы не полетим на Луну — а я знаю, что некоторые люди работают над программой, имеющей целью полеты на Луну. Но это будет очень дорого. И к тому же, у нейтронов есть преимущество: они распространяют теплоту. Так что легче иметь дело с этими очень непростыми нагревателями. И, может быть, в долгосрочной перспективе такие процессы будут использоваться, но сейчас стоит сосредоточиться на том, что и без того трудно, то есть на дейтерии и тритии.

Вопрос. Вами были представлены оценки стоимости электричества. Как следует из доклада, с точностью лучше, чем в десять процентов. Но технология, особенно материалов, неизвестна. И могут быть трудности, опять же, с упомянутой радиоактивностью трития или еще с чем-то. Поэтому какие-то предположения о цене материала были заложены в эту оценку. Какие?

К. Ллуэллин-Смит. Вы спрашиваете о надежности оценок стоимости расходов — расходов электричества? Это наилучшие возможные оценки. Но, как и с любыми будущими технологиями, они могут ошибаться в два раза, но, по-моему, не в десять раз. Первая, простая модель — модель A, — она очень похожа на ITER, где у нас имеются очень неплохие оценки стоимости. Напомню, что половина стоимости относится к турбинам, к башенным охладителям, то есть к известным вещам. Так что ошибка разбавляется: если мы ошибемся вдвое с термоядерным синтезом, то для итоговой оценки это будет лишь 50%. Конечно, с тех пор, как эти оценки были получены, мы узнали, что ITER будет стоить дороже, чем мы думали. И я спрашивал людей, которые оценивали стоимость расходов: «А не пересчитать ли вам свои оценки, учитывая стоимость ITER?» Но вот что они ответили: «Мы всегда знали, что ITER будет стоить дороже». Они предусмотрели коэффициент пересчета в зависимости от размера для разных токамаков, используя реальные расходы уже готовых установок. Да, ITER казался слишком дешевым. Так что, может быть, это будет не девять центов, а двенадцать, или не знаю сколько, но никак не девять долларов.

Вопрос. Известно, что есть такая проблема, что высокоэнергетичные нейтроны, особенно с энергией выше 14 МэВ, которые, как известно, являются уже релятивистскими, ведут себя в материале буквально как слон в посудной лавке. В связи с этим, как мы знаем, они вызывают каскады смещения, тепловые пики... Как вы считаете, какие в связи с этим перспективы применения таких металлических материалов, как ОЦК-стали, и возможно ли обойти эту проблему при помощи аморфизации поверхностного слоя?

К. Ллуэллин-Смит. Так вы говорите, что нейтроны ведут себя как слон? Да, верно. Но что происходит, когда нейтрон сталкивается с атомом в стенке? Он смещает атом из исходного положения, и тот вызывает смещение других атомов. Нейтрон проходит расстояние где-то сантиметров десять. Затем он снова делает то же самое. Затем снова, и снова, и снова. При более высоких энергиях, характерных для термоядерного синтеза по сравнению с ядерным распадом, процесс по сути тот же, но он включает больше шагов. Поэтому мы полагаем, что данные, которые будут получены на реакторах с быстрым размножением в Российской Федерации, позволят нам смоделировать то, что происходит при больших энергиях. Пока же данные говорят о том, что низкоактивируемые объемноцентрированные стали с кубической структурой могут нам подойти. Но в этом нет уверенности, так что нужны эксперименты. И, кроме того, эти реакции производят гелий. Если сравнивать с ядерным распадом, при термоядерном синтезе производится в сотню раз больше гелия. Так что это новый эффект. Мы изучаем его теоретически, но нуждаемся и в экспериментах.

Вопрос. А что вы можете сказать об аморфизации поверхностного слоя?

К. Ллуэллин-Смит. Я думаю, что не хотел бы вдаваться в проблему поверхностного слоя. Очень сложно.

Вопрос. Как по вашему мнению, стоит ли тратить время и усилия на исследования в области так называемого холодного термоядерного синтеза или же это пока выглядит как очевидное шарлатанство? Спасибо.

К. Ллуэллин-Смит. Я как раз говорил об этом недавно представителю журнала «Русский Newsweek». Он спросил меня, что я думаю о холодном синтезе, и мой ответ был: «Пошлость!» Это научная фантастика.

Вопрос. Мне бы очень интересно было послушать ваше мнение о перспективах развития термоядерного синтеза далее, чем на пятьдесят лет. Что будет с этой научной областью дальше, чем через пятьдесят лет? Возможно, это сейчас научная фантастика, но всё же интересно было бы послушать ваше мнение. Ну, если мы все на верблюдах не будем кататься через пятьдесят лет.

К. Ллуэллин-Смит. Если предположить, что через пятьдесят лет мы сможем получить коммерчески выгодный термоядерный синтез, то роль, которую он будет играть, будет зависеть от его стоимости и от стоимости альтернатив ему, таких как солнечная энергия и ядерные реакторы с быстрым размножением. Если вы спрашиваете, есть ли какие-либо ограничения, связанные с материалами, то мой ответ — «нет»: применение термоядерных технологий будет расширяться с очень большой скоростью, с одной оговоркой. В ITER мы используем сверхпроводящие магниты, охлаждаемые гелием. Гелий на Земле закончится. И в долгосрочной перспективе нам понадобятся магниты, которые будут охлаждаться водородом, или высокотемпературные сверхпроводники. Я полагаю, что мы сможем с этим справиться. Может быть, с помощью магнитов из диборида магния (это сверхпроводник, работающий при охлаждении жидким водородом). Но в самой долгосрочной перспективе эта проблема встанет перед всеми технологиями, в которых используются сверхпроводящие магниты.

Вопрос. Скажите, пожалуйста: вот прозвучала цифра «пять триллионов долларов» — это на всю программу? Имеется в виду несколько десятков станций, строительство?

В. А. Рубаков. Нет, это вес энергетического рынка сегодня. Это объем энергетического рынка в год на сегодня в мире.

Вопрос. А вот на несколько десятков станций, сколько, оценивается, как бы вы предполагали?

К. Ллуэллин-Смит. Бог знает. Может быть, с развитием технологий станция будет стоить пять-десять миллиардов, около того. Но это большие станции, производящие много энергии. Если взять атомную станцию такого масштаба, она будет стоить четыре миллиарда или около того.

Вопрос. А продумываются ли какие-то системы для сохранения энергии, основанные на сверхпроводниках, может быть на каких-то соленоидах? Это относительно того, что он же будет большую мощность выделять, а города работают в пиковых режимах, например в час пик потребление высокое, а ночное потребление низкое, значит, нужно эту энергию как-то усреднять по времени. Соответственно, может быть, как-то на сверхпроводниках?

К. Ллуэллин-Смит. Термоядерная энергия производит электричество. Некоторая часть этого электричества затем используется для нагревания плазмы. А некоторая часть используется для работы сверхпроводящих магнитов и других систем. Когда я говорю об электростанции на 1,5 ГВт, я имею в виду, что туда поступают литий и вода, а оттуда поступает 1,5 ГВт электричества. Вот и всё, так что она сама обеспечивает свою работу. Но интересно, что в самой примитивной модели, модели A, мощность термоядерной энергии 5 ГВт! Так что на выходе будет где-то 2 ГВт электричества, и 500 МВт пойдут на обеспечение работы. Более эффективная модель будет давать где-то 2,5 ГВт термоядерной энергии на 1,5 ГВт электричества.

В. А. Рубаков. Но, простите, вопрос-то был о другом. Вопрос был о том, что если, например, большие города работают неравномерно, неравномерно нуждаются в электричестве, то как можно было бы аккумулировать производимую энергию?

К. Ллуэллин-Смит. Что ж, это тоже очень хороший вопрос. Можно работать с меньшей мощностью — например, ночью. Но обеспечение работы почти ничего не стоит. Так что люди, естественно, думают об использовании ночного электричества для производства водорода, как способа аккумуляции энергии. Но с атомными станциями дела обстоят похожим образом. Обеспечение работы стоит дешево.

В. А. Рубаков. Еще, пожалуйста, вопросы. Давайте мы еще, наверное, пару вопросов и будем закругляться.

Вопрос. Как вы оцениваете перспективы использования других конструкций, отличных от токамака, например стелларатора? Ведь теоретически он может работать непрерывно, в отличие от того же токамака?

К. Ллуэллин-Смит. Есть две других установки с магнитным удержанием. Первая — стелларатор. Вот что открыли Тамм и Сахаров и другие: необходимо геликоидальное магнитное поле. И они предложили генерировать такое поле при помощи соленоида и электрического тока. Но в то же время Лайман Спитцер в Принстоне предложил создавать геликоидальное поле без тока, с помощью магнитов очень сложной конфигурации. Это стелларатор. Очень красивая идея, но идея теоретика. Такую установку очень трудно построить. Она очень сложна, очень дорога, и получить оболочку для нее очень трудно. В принципе, у нее есть преимущества, потому что ток [в токамаке] флуктуирует. Эти флуктуации могут производить нестабильности в плазме. Итак, повторю, теоретически стелларатор прекрасен, но если мы получим работающий токамак, это будет и дешевле, и проще. Так что разработкой стелларатора стоит заниматься — и надеяться, что он нам не понадобится. Еще одна разновидность — это так называемый сферический токамак. Это тоже токамак, но он больше похож на яблоко с вырезанной серединой, а не на бублик. И лидеры в этой области — мы в Великобритании и специалисты из Принстона и Петербурга.

В. А. Рубаков. Здесь вопрос в письменном виде.

Вопрос. Ваш ITER предполагает температурное сталкивание атомов дейтерия и трития при помощи температуры. Думают ли теоретики о применении резонансного метода, как это делал Никола Тесла?

К. Ллуэллин-Смит. Другие идеи были, такие как резонансный метод, но похоже, что ни с одной из них нельзя добиться получения нужных условий в управляемом режиме.

В. А. Рубаков. Ну что же, давайте мы поблагодарим нашего гостя сегодня. Большое вам спасибо. Было очень интересно, и я уверен, что все мы будем немало думать об этих вещах. Спасибо большое, спасибо большое всем.

Вернуться к лекции


Комментировать


 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия