В 2020 году Канадские ядерные лаборатории поставили пять стальных бочек, облицованных пробкой для поглощения ударов, для крупного термоядерного реактора Joint European Torus (JET) в Соединенном Королевстве. Внутри каждого барабана находился стальной цилиндр размером с банку кока-колы, содержащий струйку газообразного водорода — всего 10 граммов, или вес пары листов бумаги.
Это был не обычный водород, а его редкий радиоактивный изотоп тритий, в котором два нейтрона и протон слиплись в ядре. При цене 30 000 долларов за грамм он почти так же ценен, как алмаз, но для исследователей термоядерного синтеза цена того стоит. Когда тритий соединяется при высоких температурах с родственным ему дейтерием, эти два газа могут гореть, как Солнце. Реакция может дать обильную чистую энергию — как только ученые, занимающиеся термоядерным синтезом, поймут, как ее эффективно зажечь.
В прошлом году канадский тритий подпитывал эксперимент в JET, показывающий, что исследования в области термоядерного синтеза приближаются к важному порогу: производство энергии больше, чем расходуется на реакции. Достигнув одной трети этой точки безубыточности, JET заверил, что ITER, аналогичный реактор, в два раза больше JET, строящийся во Франции, выйдет за пределы безубыточности, когда он начнет сжигать дейтерий и тритий (DT) где-то в следующем десятилетии. «То, что мы обнаружили, соответствует прогнозам, — говорит Фернанда Римини, эксперт по плазменным операциям JET.
Но это достижение может оказаться пирровой победой, как понимают ученые в области термоядерного синтеза. Ожидается, что ИТЭР потребит большую часть трития в мире, оставив мало для реакторов, которые появятся позже.
Сторонники термоядерного синтеза часто хвастаются, что топливо для их реакторов будет дешевым и в изобилии. Это, безусловно, верно для дейтерия: примерно один из каждых 5000 атомов водорода в океанах является дейтерием, и он продается по цене около 13 долларов за грамм. Но тритий с периодом полураспада 12,3 года существует в природе лишь в следовых количествах в верхних слоях атмосферы, являясь продуктом бомбардировки космическими лучами. Ядерные реакторы также производят небольшое количество, но немногие собирают его.
Большинство термоядерных ученых игнорируют эту проблему, утверждая, что будущие реакторы смогут производить необходимый им тритий. Высокоэнергетические нейтроны, высвобождаемые в реакциях синтеза, могут расщепить литий на гелий и тритий, если стенка реактора облицована металлом. Несмотря на спрос на него в батареях электромобилей, лития относительно много.
Но есть одна загвоздка: для производства трития вам нужен работающий термоядерный реактор, а трития может не хватить для запуска первого поколения электростанций. Единственными коммерческими источниками в мире являются 19 ядерных реакторов Canada Deuterium Uranium (CANDU), каждый из которых производит около 0,5 кг отходов в год, и половина из них должна быть выведена из эксплуатации в этом десятилетии. Согласно прогнозам плана исследований ИТЭР на 2018 год, доступный запас трития, который сегодня составляет около 25 килограммов, достигнет пика к концу десятилетия и начнет неуклонно снижаться по мере его продажи и распада.
Первые эксперименты ИТЭР будут использовать водород и дейтерий и не будут производить чистую энергию. Но как только он начнет производить DT-выбросы, Альберто Лоарте, глава научного отдела ИТЭР, ожидает, что реактор будет потреблять до 1 кг трития ежегодно. «Это будет потреблять значительное количество того, что доступно», — говорит он. Ученые-ядерщики, желающие после этого запустить реакторы, могут обнаружить, что ИТЭР уже выпил свой молочный коктейль.
Чтобы усугубить проблему, некоторые считают, что воспроизводство трития, которое никогда не тестировалось в термоядерном реакторе, может не справиться с задачей. В недавнем моделировании инженер-ядерщик Мохамед Абду из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и его коллеги обнаружили, что в лучшем случае энергетический реактор может производить только немного больше трития, чем ему необходимо для собственного топлива. Утечки трития или длительные остановки на техническое обслуживание съедают этот узкий запас.
Истощение запасов трития
Несколько килограммов коммерчески доступного трития поступают с заводов CANDU, типа ядерных реакторов в Канаде и Южной Корее. По прогнозам ИТЭР, в этом десятилетии поставки достигнут пика, а затем начнется неуклонный спад, который ускорится, когда ИТЭР начнет сжигать тритий.
Дефицит трития — не единственная проблема, с которой сталкивается термоядерный синтез; поле также должно научиться справляться с прерывистыми операциями, турбулентными выбросами плазмы и нейтронным повреждением ( см. врезку ниже). Но для Дэниела Джассби, физика плазмы, вышедшего на пенсию из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) и известного критика энергии синтеза DT, проблема трития кажется серьезной. По его словам, это может стать фатальным для всего предприятия. «Это делает дейтериево-тритиевые термоядерные реакторы невозможными».
ЕСЛИ БЫ НЕ РЕАКТОРЫ CANDU , синтез DT был бы недостижимой мечтой. «Самая удачная вещь для термоядерного синтеза в мире — это то, что реакторы CANDU производят тритий в качестве побочного продукта», — говорит Абду. Многие ядерные реакторы используют обычную воду для охлаждения активной зоны и «замедления» цепной реакции, замедляя нейтроны, чтобы они с большей вероятностью вызвали деление. Реакторы CANDU используют тяжелую воду, в которой дейтерий заменяет водород, потому что он поглощает меньше нейтронов, оставляя больше для деления. Но иногда ядро дейтерия захватывает нейтрон и превращается в тритий.
Если в тяжелой воде накапливается слишком много трития, это может быть радиационной опасностью, поэтому время от времени операторы отправляют свою тяжелую воду в коммунальную компанию Ontario Power Generation (OPG) для «детритирования». OPG отфильтровывает тритий и продает около 100 граммов его в год, в основном в качестве медицинского радиоизотопа, светящихся в темноте циферблатов часов и табличек для экстренных случаев. «Это действительно хорошая история о превращении отходов в продукцию», — говорит Ян Кастильо из Canadian Nuclear Laboratories, которая выступает в качестве дистрибьютора OPG.
Термоядерные реакторы значительно увеличат спрос. Вице-президент OPG Джейсон Ван Варт рассчитывает, что начиная с 2030-х годов, начиная с 2030-х годов, начиная с 2030-х годов, когда ИТЭР и другие термоядерные стартапы планируют начать сжигание трития, они будут отгружать до 2 килограммов. «Наша позиция — извлечь все, что можно, — говорит он.
Но предложение сократится по мере того, как CANDU, многим из которых 50 лет и более, будут выведены из эксплуатации. Исследователи поняли более 20 лет назад, что «тритиевое окно» термоядерного синтеза в конечном итоге захлопнется, и с тех пор все стало только хуже. Изначально предполагалось, что ИТЭР запустится в начале 2010-х годов и сожжет DT в том же десятилетии. Но запуск ИТЭР был перенесен на 2025 год и может снова отложиться из-за пандемии и проверок безопасности, которых требуют французские ядерные регуляторы. ИТЭР не будет сжигать DT самое раннее до 2035 года, когда запасы трития сократятся.
По прогнозам ИТЭР, когда ИТЭР завершит работу в 2050-х годах, останется 5 кг или меньше трития. В худшем случае «может показаться, что трития недостаточно для удовлетворения потребности в термоядерном синтезе после ИТЭР», — признает Джанфранко Федеричи, глава отдела термоядерных технологий в исследовательском агентстве EuroFusion.
Некоторые частные компании разрабатывают термоядерные реакторы меньшего размера, которые было бы дешевле построить и — по крайней мере на начальном этапе — использовать меньше трития. Commonwealth Fusion Systems, стартап из Массачусетса, заявляет, что уже обеспечил поставки трития для своего компактного прототипа и первых демонстрационных реакторов, которым, как ожидается, потребуется менее 1 килограмма изотопа во время разработки.
Но более крупные, финансируемые государством испытательные реакторы, запланированные Китаем, Южной Кореей и Соединенными Штатами, могут потребовать по несколько килограммов каждый. Еще больше потребуется для запуска запланированного EuroFusion преемника ITER, чудовищной машины под названием DEMO. Предполагается, что это действующая электростанция, которая, как ожидается, будет на 50% больше, чем ИТЭР, и будет поставлять в сеть 500 мегаватт электроэнергии.
Термоядерным реакторам обычно требуется большой начальный запас трития, потому что подходящие условия для синтеза возникают только в самой горячей части плазмы ионизированных газов. Это означает, что очень мало трития в корпусе реактора в форме пончика или токамаке сгорает. Исследователи ожидают, что ИТЭР будет сжигать менее 1% введенного трития; остальное диффундирует к краю токамака и попадает в систему рециркуляции, которая удаляет гелий и другие примеси из выхлопных газов, оставляя смесь DT. Затем изотопы разделяют и возвращают в реактор. Это может занять от нескольких часов до нескольких дней.
Разработчики DEMO работают над тем, чтобы уменьшить потребности при запуске. «Нам необходимо иметь низкий [начальный] запас трития», — говорит Кристиан Дэй из Технологического института Карлсруэ, руководитель проекта по разработке топливного цикла DEMO. «Если вам нужно 20 килограммов, чтобы заполнить его, это проблема».
Один из способов укротить спрос — сжигать замороженные топливные таблетки глубже в зоне горения реактора, где они будут гореть более эффективно. Другой способ — сократить время переработки до 20 минут, используя металлическую фольгу в качестве фильтров для быстрого удаления примесей, а также возвращая изотопы водорода обратно в машину, не разделяя их. Это может быть не идеальная смесь 50-50 DT, но для работающего реактора она будет достаточно близкой, говорит Дэй.
Но Абду говорит, что аппетит DEMO, вероятно, все еще велик. Он и его коллеги смоделировали топливный цикл DT для энергетических реакторов, включая DEMO и его преемники. Они оценили факторы, в том числе эффективность сжигания DT-топлива, время, необходимое для переработки несгоревшего топлива, и долю времени, в течение которого реактор будет работать. В статье, опубликованной в 2021 году в журнале Nuclear Fusion, команда приходит к выводу, что только для запуска DEMO потребуется от 5 до 14 килограммов трития — больше, чем, вероятно, будет доступно, когда ожидается, что реактор заработает в 2050-х годах.
ДАЖЕ ЕСЛИ КОМАНДА DEMO и другие разработчики реакторов после ИТЭР смогут сократить свои потребности в тритии, у термоядерного синтеза не будет будущего, если воспроизводство трития не сработает. По словам Абду, коммерческая термоядерная установка, производящая 3 гигаватт электроэнергии, будет сжигать 167 килограммов трития в год — мощность сотен реакторов CANDU.
Проблема размножения заключается в том, что при синтезе не образуется достаточного количества нейтронов, в отличие от деления, где цепная реакция высвобождает экспоненциально растущее число нейтронов. При синтезе каждая реакция DT производит только один нейтрон, который может породить одно ядро трития. Поскольку системы размножения не могут уловить все эти нейтроны, им нужна помощь умножителя нейтронов, материала, который при попадании нейтрона выдает взамен два. Инженеры планируют смешивать литий с материалами-умножителями, такими как бериллий или свинец, в бланкетах, выстилающих стенки реакторов.
ИТЭР станет первым термоядерным реактором, в котором будут экспериментировать с воспроизводящими бланкетами. Испытания будут включать жидкие покрытия (расплавленные смеси лития и свинца), а также твердые «слои гальки» (керамические шарики, содержащие литий, смешанные с шариками из бериллия). Из-за сокращения затрат системы-размножители ИТЭР займут всего 4 квадратных метра внутренней части реактора площадью 600 квадратных метров. Термоядерные реакторы после ИТЭР должны будут покрыть как можно большую часть поверхности, чтобы иметь шанс удовлетворить свои потребности в тритии.
Тритий можно извлекать непрерывно или во время запланированных остановок, в зависимости от того, находится ли литий в жидкой или твердой форме, но воспроизводство должно быть неустанным. У воспроизводящих одеял есть и вторая задача: поглощать гигаватт энергии нейтронов и превращать их в тепло. Трубы, несущие воду или гелий под давлением через горячие одеяла, будут собирать тепло и производить пар, приводящий в действие турбины, производящие электричество. «Все это внутри термоядерного реактора с его сверхвысоким вакуумом, нейтронной бомбардировкой и сильным магнитным полем», — говорит Марио Мерола, руководитель отдела инженерного проектирования ИТЭР. «Это инженерная задача».
Для Абду и его коллег это больше, чем вызов — это вполне может оказаться невыполнимым. Их анализ показал, что при существующей технологии, в значительной степени определяемой ИТЭР, воспроизводящие бланкеты могут в лучшем случае производить на 15% больше трития, чем потребляет реактор. Но исследование пришло к выводу, что эта цифра, скорее всего, составит 5% — тревожно малая разница.
Одним из критических факторов, которые определили авторы, является время простоя реактора, когда воспроизводство трития прекращается, а изотоп продолжает распадаться. Устойчивость может быть гарантирована только в том случае, если реактор работает более 50% времени, что практически невозможно для экспериментального реактора, такого как ИТЭР, и сложно для прототипов, таких как DEMO, которые требуют простоя для настройки для оптимизации производительности. По словам Абду, если судить по существующим токамакам, время наработки на отказ, вероятно, составит часы или дни, а ремонт займет месяцы. Он говорит, что будущим реакторам будет сложно работать более 5% времени.
Чтобы сделать разведение устойчивым, операторам также необходимо контролировать утечки трития. Для Jassby это настоящий убийца. Тритий печально известен тем, что проникает через металлические стенки реактора и выходит через крошечные щели. Анализ Абду предполагал уровень потерь 0,1%. «Я не думаю, что это реалистично, — говорит Джассби. «Подумайте обо всех местах, куда должен пройти тритий», когда он проходит через сложный реактор и систему переработки. «Вы не можете позволить себе потерять тритий».
Два частных предприятия по термоядерному синтезу решили просто отказаться от тритиевого топлива. Калифорнийский стартап TAE Technologies планирует использовать простой водород и бор, тогда как стартап штата Вашингтон Helion будет сплавлять дейтерий и гелий-3, редкий изотоп гелия. Эти реакции требуют более высоких температур, чем DT, но компании считают, что это цена, которую стоит заплатить, чтобы избежать проблем с тритием. «Наша компания существует благодаря тому факту, что тритий дефицитен и доставляет неудобства, — говорит генеральный директор TAE Михл Биндербауэр.
Альтернативные реакции синтеза имеют дополнительную привлекательность, поскольку производят меньше нейтронов или даже не производят их совсем, что позволяет избежать материального ущерба и радиоактивности, которыми угрожает подход DT. Биндербауэр говорит, что отсутствие нейтронов должно позволить реакторам TAE, которые стабилизируют вращающиеся кольца плазмы с помощью пучков частиц, прослужить 40 лет. Проблема заключается в температуре: в то время как DT плавится при 150 миллионах градусов Цельсия, водороду и бору требуется 1 миллиард градусов.
Топливо гелиона из дейтерия и гелия-3 сгорает при температуре всего 200 миллионов градусов, что достигается с помощью плазменных колец, подобных ТАЭ, но сжатых магнитными полями. Но гелий-3, хотя и стабилен, почти так же редок и труднодоступен, как и тритий. Большинство его коммерческих источников зависят от распада трития, как правило, из военных запасов. Однако генеральный директор Helion Дэвид Киртли говорит, что, добавляя дополнительный дейтерий в топливную смесь, его команда может генерировать реакции синтеза DD, которые производят гелий-3. «Это гораздо более дешевая система, ее легче заправлять, ее легче эксплуатировать, — говорит он.
Тем не менее, сторонники обычного DT-синтеза считают, что запасы трития можно увеличить, построив больше ядерных реакторов. Военные всего мира используют тритий для повышения мощности ядерного оружия и создали свои собственные запасы трития, используя специально построенные или адаптированные коммерческие ядерные реакторы.
Министерство энергетики США (DOE), например, полагается на коммерческие реакторы — блоки 1 и 2 Уоттс-Бар, эксплуатируемые Управлением долины Теннесси, — в которых литиевые регулирующие стержни заменили некоторые из борных. Стержни иногда удаляются и обрабатываются для извлечения трития. Министерство энергетики поставляло PPPL тритий в 1980-х и 90-х годах, когда в лаборатории был сжигающий реактор DT. Но Федеричи не думает, что агентство или военные во всем мире займутся продажей изотопа. «Оборонные запасы трития вряд ли когда-либо будут переданы», — говорит он.
Возможно, мир увидит ренессанс технологии CANDU. Южная Корея имеет четыре реактора CANDU и завод по извлечению трития, но не продает его в коммерческих целях. В Румынии их два, и она работает над установкой по производству трития. У Китая есть пара CANDU, а Индия построила несколько производных CANDU. Их производство трития можно было бы увеличить, добавив литиевые стержни в их сердечники или легировав замедлитель тяжелой воды литием. Но в статье 2018 года в журнале Nuclear Fusion Майкла Ковари из Culham Center for Fusion Energy и его коллег утверждается, что такие модификации, вероятно, столкнутся с нормативными барьерами, поскольку они могут поставить под угрозу безопасность реактора и из-за опасности самого трития.
Некоторые говорят, что термоядерные реакторы могут создавать свой собственный стартовый тритий, работая только на дейтерии. Но реакции DD крайне неэффективны при температурах токамака и вместо производства энергии потребляют огромное количество электроэнергии. Согласно исследованию Ковари, разведение трития методом DD может стоить 2 миллиарда долларов за произведенный килограмм. Все такие решения «создают значительные экономические и нормативные трудности», говорит Ковари.
На протяжении десятилетий исследований в области термоядерного синтеза физики плазмы были сосредоточены на достижении точки безубыточности и производстве избыточной энергии. По словам Джассби, они рассматривали другие вопросы, такие как получение достаточного количества трития, просто «тривиальные» инженерные решения. Но по мере того, как реакторы приближаются к безубыточности, инженеры-ядерщики, такие как Абду, говорят, что пришло время начать беспокоиться о технических деталях, которые далеко не тривиальны. «Оставлять [их] на потом было бы огромной ошибкой».
