Мы строим их не на той планете: физик объяснил, почему в космосе термоядерные реакторы дадут колоссальную энергию и создадут новую цивилизацию

На юге Франции уже второе десятилетие идет сборка международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР. Его задача — доказать, что человечество способно получать энергию за счет слияния ядер водорода, то есть того же физического процесса, который питает Солнце и другие звезды. Общий вес этого сооружения превышает 23 000 тонн. Однако если изучить устройство реактора, выяснится парадоксальная вещь: огромная часть этой стальной массы нужна вовсе не для самой термоядерной реакции. Она необходима для того, чтобы защитить установку от условий планеты Земля.

Земная атмосфера давит на любую поверхность с силой около 10 тонн на каждый квадратный метр. Поскольку внутри реактора должна находиться пустота, инженерам приходится строить вокруг него толстостенный стальной корпус, чтобы внешнее давление воздуха не раздавило установку. Кроме того, на Земле действует сила тяжести. Многотонные магниты, удерживающие раскаленное топливо, стремятся прогнуться и обрушиться под собственным весом. Чтобы этого не произошло, конструкторы вынуждены возводить внутри и вокруг реактора массивный опорный каркас из особо прочной стали.

Американский физик Янг Бэ, руководитель исследовательской организации Spacefaring Research в Калифорнии, опубликовал в научном журнале Acta Astronautica исследование, в котором предложил перенести термоядерные реакторы с Земли в открытый космос. С помощью математического моделирования он рассчитал, как изменится работа большой термоядерной электростанции в условиях, где изначально нет ни силы тяжести, ни атмосферного давления. Результаты показали, что в космосе физические и инженерные ограничения снимаются, а гигантские реакторы мощностью в несколько гигаватт становятся намного эффективнее и требуют меньше металла на каждый киловатт вырабатываемой энергии, чем любые наземные аналоги.

Зачем в космосе нужны гигаватты энергии

Сегодня космонавтика обходится очень скромным количеством электричества. Обычным спутникам связи хватает нескольких киловатт, а вся Международная космическая станция потребляет около 100 киловатт — примерно столько же, сколько расходует один многоквартирный дом. Эту энергию легко дают солнечные батареи. В дальнем космосе, где солнечного света мало, автоматические аппараты используют небольшие генераторы, вырабатывающие электричество за счет тепла от естественного распада радиоактивного плутония. Их мощность измеряется сотнями ватт.

Но ситуация кардинально изменится, когда человечество перейдет от запуска одиночных исследовательских аппаратов к полноценному промышленному освоению Солнечной системы. Янг Бэ описывает этот переход через концепцию трех базовых технологий, которые должны работать вместе:

1. Массовая и дешевая доставка грузов на орбиту. Многоразовые ракеты-носители снижают стоимость вывода техники в космос в десятки раз, позволяя доставлять на орбиту тысячи тонн оборудования.
2. Автономное строительство с помощью роботов. Поскольку работа людей в открытом космосе дорога и опасна для жизни, добычу полезных ископаемых на Луне и астероидах, выплавку металлов и сборку орбитальных станций возьмут на себя роботы под управлением искусственного интеллекта.
3. Лазерные транспортные сети. Традиционные ракеты вынуждены тащить с собой огромное количество топлива: чтобы доставить груз к другой планете, до 90 процентов стартовой массы корабля должно составлять горючее. Физик предлагает заменить химические двигатели в космосе на разгон с помощью света. Мощные лазерные станции, расположенные на орбите, будут направлять луч на специальные зеркала грузового корабля. Свет при отражении оказывает физическое давление на поверхность. Если лазер достаточно мощный, а луч многократно отражается между станцией и кораблем, аппарат может быстро разгоняться и тормозить вообще без запасов топлива на борту.

Все эти три направления требуют колоссального количества энергии. Чтобы круглосуточно плавить лунный грунт, добывать из него кислород и металлы, обеспечивать работу заводов в невесомости и питать лазерные излучатели для разгона тяжелых грузовых кораблей, киловатт и даже мегаватт уже недостаточно. Космической промышленности понадобятся электростанции, способные непрерывно выдавать гигаватты электричества. Для понимания масштаба: 1 гигаватт — это мощность целого энергоблока крупной современной атомной электростанции на Земле.

Почему солнечные батареи и обычные атомные реакторы не подходят

Когда речь заходит о получении гигаватт энергии в космосе, привычные технологии быстро упираются в физические пределы. В своем исследовании Янг Бэ подробно разбирает недостатки двух главных конкурентов термоядерного синтеза — солнечных электростанций и традиционных ядерных реакторов деления.

Солнечная энергетика отлично работает на небольших мощностях вблизи Земли. Однако солнечный свет на орбите нашей планеты несет ограниченное количество энергии — около 1,4 киловатта на один квадратный метр. При этом лучшие современные панели превращают в электричество лишь около трети этого света. Чтобы получить 1 гигаватт мощности, придется развернуть в космосе полотно из фотоэлементов площадью в несколько квадратных километров. Удерживать такую огромную конструкцию в правильном положении относительно Солнца невероятно сложно: для этого требуются тяжелые металлические фермы и двигатели ориентации, что резко увеличивает общую массу станции.

Но главная проблема солнечных батарей заключается в том, что при удалении от Солнца плотность света быстро падает. По законам физики, если отойти от источника света в 2 раза дальше, количество энергии на квадратный метр уменьшится в 4 раза. На орбите Марса солнечная батарея вырабатывает уже в 2 с лишним раза меньше электричества, чем у Земли. А в районе Юпитера, который находится в 5 раз дальше от Солнца, чем наша планета, поток света слабеет в 25 раз. Строить там гигаваттные солнечные станции бессмысленно — они будут слишком огромными и тяжелыми.

Ядерные реакторы деления работают за счет расщепления тяжелых атомов урана или плутония. Они не зависят от солнечного света и могут одинаково эффективно давать энергию как у Земли, так и на окраинах Солнечной системы. Такие реакторы хорошо изучены и вполне подходят для баз среднего размера. Однако при попытке увеличить их мощность до гигаватт возникают серьезные трудности:

• Во-первых, реакция деления урана сопровождается сильным радиационным излучением во всех направлениях. Чтобы защитить электронику станции и обслуживающих роботов, реактор приходится окружать толстым слоем свинца, стали и других тяжелых материалов.
• Во-вторых, внутри такого реактора циркулирует газ или жидкость под огромным давлением, что требует массивного прочного корпуса.
• В-третьих, ядерное топливо нужно постоянно добывать на Земле, обогащать на сложных заводах и запускать в космос на ракетах, что создает риск радиоактивного заражения атмосферы в случае аварии при старте. Кроме того, отработанное урановое топливо остается опасно радиоактивным тысячи лет, и его нужно где-то безопасно хранить.

Как работает токамак и от чего зависит его выгода

Термоядерный синтез устроен совершенно иначе. Вместо расщепления тяжелых и редких атомов урана в нем используется слияние самых легких и распространенных элементов во Вселенной — разновидностей водорода, которые называются дейтерием и тритием. Запасы дейтерия в природе практически бесконечны, его легко добывать из обычной воды. При слиянии ядер дейтерия и трития образуется безопасный газ гелий и выделяется колоссальное количество энергии — в несколько раз больше на килограмм топлива, чем при делении урана, и в миллионы раз больше, чем при сжигании угля или газа.

Чтобы заставить ядра водорода сливаться, топливо нужно нагреть до температуры около 150 миллионов градусов Цельсия. При такой температуре газ превращается в плазму — состояние вещества, в котором электроны отрываются от ядер атомов, и газ начинает проводить электрический ток. Никакой металл или керамика не выдержат прямого контакта с веществом такой температуры, стенки просто мгновенно испарятся.

Поэтому физики придумали удерживать плазму на весу в пустоте с помощью магнитного поля. Самая успешная конструкция такой магнитной ловушки была разработана еще в середине двадцатого века советскими учеными и получила название «токамак» (сокращение от «тороидальная камера с магнитными катушками»). Внутри кольцевой камеры создается мощное магнитное поле, которое не дает раскаленной плазме касаться стенок, заставляя ее бежать по замкнутому кругу.

Чтобы оценить, насколько успешно работает токамак, ученые и инженеры используют два разных показателя эффективности:

1. Научный прирост энергии. Он показывает, во сколько раз больше тепла родилось внутри самой плазмы по сравнению с той энергией, которую потратили непосредственно на ее разогрев. Недавно американские физики на лазерной установке NIF впервые смогли получить научный прирост больше единицы: плазма выделила больше энергии, чем в нее вложили лучи лазера. Это важное научное достижение, но для реальной электростанции этого недостаточно.
2. Инженерный прирост энергии. Этот показатель учитывает работу абсолютно всей электростанции в комплексе. Ведь чтобы токамак работал, нужно тратить огромное количество электричества на питание самих магнитов, на работу холодильных установок (магниты работают только при температуре около минус 269 градусов Цельсия, близкой к абсолютному нулю), на откачку воздуха из камеры и системы управления. Кроме того, при переводе тепла плазмы в готовое электричество больше половины энергии неизбежно теряется.

Расчеты показывают: чтобы термоядерный реактор перестал быть просто научной установкой и начал приносить реальную коммерческую пользу, его инженерный прирост должен быть больше 10. То есть станция должна выдавать в сеть минимум в 10 раз больше чистого электричества, чем тратит на поддержание собственной работы. На Земле достичь этого показателя крайне тяжело. И именно здесь перенос реактора в космос меняет всю картину.

Три главных преимущества космической среды

Янг Бэ объединил уравнения физики плазмы с инженерными расчетами прочности материалов и теплообмена. Он выделил три фундаментальных фактора, благодаря которым космос оказывается идеальным местом для работы гигаваттного токамака.

Первое преимущество — естественный глубокий вакуум. Плазма в токамаке очень разрежена: плотность частиц в ней в сотни тысяч раз меньше, чем в обычном воздухе, которым мы дышим. Если в камеру реактора попадет даже ничтожное количество постороннего воздуха, плазма тут же остынет, и термоядерная реакция прекратится. На Земле инженерам приходится строить вокруг реактора герметичный стальной корпус с толстыми стенками, который выдерживает огромное давление внешней атмосферы, а также устанавливать вокруг него десятки мощных насосов, непрерывно откачивающих малейшие примеси газов.

В космосе идеальная пустота окружает станцию со всех сторон изначально. Реактору вообще не нужен тяжелый внешний корпус, способный держать удар атмосферного давления, и не нужны сложные вакуумные насосы. Тонкая внутренняя стенка камеры в космосе нужна только для того, чтобы улавливать излучение от плазмы и передавать тепло дальше в систему выработки электричества. Это сразу избавляет конструкцию от тысяч тонн лишнего металла.

Второе преимущество — отсутствие силы тяжести. Из законов физики плазмы следует простое правило: чтобы увеличить мощность токамака и поднять его инженерный прирост энергии выше 10, нужно сделать две вещи — увеличить размер самого кольца реактора и повысить силу магнитного поля. Но на Земле оба этих шага приводят к резкому утяжелению всей постройки. Огромные магнитные катушки весят тысячи тонн. В условиях земной гравитации этот вес давит вниз, пытаясь изогнуть и сломать конструкцию. Чем больше размер реактора, тем более толстые и тяжелые стальные балки нужны просто для того, чтобы удерживать установку в стабильном положении.

В космосе, в состоянии невесомости, у конструкции нет веса. Магнитные катушки и элементы камеры не давят друг на друга и не стремятся упасть. Единственная механическая нагрузка, которая остается в космосе — это внутреннее электромагнитное отталкивание: когда по виткам магнита течет сильный ток, магнитное поле пытается разорвать катушку изнутри. Но удерживать конструкцию от равномерного внутреннего растяжения намного проще, чем бороться с постоянной внешней силой тяжести. Благодаря невесомости инженеры могут строить в космосе токамаки огромного радиуса и применять мощные современные сверхпроводники без необходимости наращивать толщину опорных балок.

Третье преимущество — эффективный сброс лишнего тепла. Любая электростанция, будь то угольная, атомная или термоядерная, не может превратить в электричество все 100 процентов полученного тепла. Законы физики требуют, чтобы значительная часть тепловой энергии после прохождения через генераторы сбрасывалась в окружающую среду, иначе станция перегреется и расплавится. На Земле для этого используют воду из рек или строят огромные башни охлаждения, где тепло уносится потоками воздуха. Но воздух и вода отводят тепло относительно медленно, а экологические законы запрещают сильно нагревать природные водоемы.

В космосе нет ни воздуха, ни воды, поэтому охлаждать станцию путем обдува невозможно. Единственный способ избавиться от лишнего тепла в пустоте — излучать его в пространство в виде инфракрасных лучей через специальные широкие панели, которые называются радиаторами. На первый взгляд это кажется сложной задачей, но здесь начинает работать важный закон физики: количество тепла, которое излучает нагретое тело, зависит от его температуры в четвертой степени. На практике это означает следующее: если вы нагреете панель радиатора в 2 раза сильнее, она начнет сбрасывать в космос в 16 раз больше тепла. А если поднять ее температуру в 3 раза, отдача тепла вырастет сразу в 81 раз.

На Земле разогревать металлические радиаторы до высоких температур на открытом воздухе нельзя: из-за контакта с кислородом металл быстро окислится, прогорит и разрушится. В космическом вакууме кислорода нет, поэтому радиаторы из жаропрочных сплавов или углеродных материалов можно безопасно разогревать до очень высоких температур — они будут буквально светиться от жара. За счет этого для отвода гигаватт остаточного тепла в космосе потребуются гораздо более компактные и легкие панели, чем принято считать при проектировании обычных спутников.

Главное открытие: снижение веса на единицу мощности

Для любой космической техники важнейшим показателем является удельная масса — то есть сколько килограммов общего веса электростанции приходится на каждый киловатт вырабатываемого ею электричества. Чем меньше этот показатель, тем меньше ракетных запусков или местных космических ресурсов потребуется для постройки станции.

Собрав все уравнения в единую модель, Янг Бэ обнаружил удивительную закономерность. На Земле при увеличении размеров токамака его вес растет примерно с той же скоростью, что и вырабатываемая мощность, а после определенного предела вес опорных конструкций начинает расти даже быстрее мощности. Поэтому строить на Земле сверхгигантские реакторы экономически невыгодно.

В космосе ситуация противоположная. Поскольку реактору не нужен толстый вакуумный корпус и тяжелый фундамент для борьбы с гравитацией, при увеличении размеров кольца токамака объем плазмы и выход энергии растут намного быстрее, чем масса удерживающих магнитов и тонких стенок.

В результате на мощностях в несколько гигаватт возникает обратный эффект: чем более крупный и мощный токамак вы строите в космосе, тем легче он становится в пересчете на каждый киловатт выдаваемой энергии. В этом диапазоне мощностей космический термоядерный реактор уверенно преодолевает порог инженерного прироста больше 10 и оказывается значительно легче как солнечных электростанций, так и атомных реакторов деления аналогичной мощности.

Переход на Гелий-3 и нерешенные инженерные задачи

Хотя реактор на смеси дейтерия и трития показывает в расчетах отличные результаты, у этого вида топлива есть серьезный природный недостаток. В процессе слияния ядер дейтерия и трития около 80 процентов всей энергии выделяется в виде потока быстрых нейтронов.

Нейтрон — это частица, у которой нет электрического заряда. Из-за этого магнитное поле токамака на нейтроны никак не действует: они свободно пролетают сквозь магнитную ловушку и с огромной скоростью врезаются во внутреннюю металлическую стенку реактора. Эта постоянная бомбардировка приводит к двум проблемам. Во-первых, нейтроны выбивают атомы металла из их привычных мест, из-за чего стенка со временем становится хрупкой, распухает и требует замены. Во-вторых, сам металл стенки от ударов нейтронов постепенно становится радиоактивным. Кроме того, энергию нейтронов можно забрать только одним способом: позволить им нагреть стенку, пустить по трубам внутри нее газ или жидкий металл, а затем направить этот нагретый поток на лопатки вращающихся турбин, которые крутят электрогенераторы. Турбины и трубы добавляют станции лишний вес и снижают надежность.

Однако Янг Бэ подчеркивает, что создание дейтерий-тритиевых реакторов в космосе станет трамплином для перехода к более совершенному топливу — смеси дейтерия и редкого изотопа гелия, который называется гелий-3 (³He).

Реакция между дейтерием и гелием-3 уникальна тем, что в ней почти не рождаются опасные нейтроны. Вместо них вся энергия выделяется в виде потока протонов — частиц, имеющих положительный электрический заряд. Для космической энергетики это дает колоссальные преимущества:

• Стенки реактора больше не разрушаются от ударов нейтронов и не становятся радиоактивными, а значит, реактор может работать десятилетиями без ремонта и почти не требует защитных экранов.
• Поскольку протоны имеют электрический заряд, они полностью подчиняются магнитному полю. Их поток можно направить в специальное устройство, где движущиеся заряженные частицы будут создавать электрический ток напрямую, вообще без нагрева воды или газа и без использования тяжелых вращающихся турбин. Коэффициент полезного действия такой прямой выработки электричества намного выше.

На Земле построить реактор на гелии-3 практически невозможно по двум причинам. Во-первых, для запуска этой реакции плазму нужно нагреть еще в несколько раз сильнее, чем для трития, и удерживать ее гораздо более мощным и крупным магнитным полем. На Земле такой реактор получился бы неподъемным. Во-вторых, на нашей планете природного гелия-3 просто нет. В космосе обе эти преграды исчезают: невесомость позволяет легко строить магнитные ловушки огромного размера без лишней массы опор, а сам гелий-3 в больших количествах содержится в верхнем слое лунного грунта (куда он миллиардами лет попадал с солнечным ветром), а также в атмосферах крупных газовых планет, таких как Юпитер, Сатурн и Уран.

В заключение своей работы Янг Бэ делает важную оговорку. Его исследование — это фундаментальная физическая оценка возможностей технологии, а не готовый инженерный чертеж для завтрашнего строительства. В математических моделях пока намеренно оставлены за скобками сложнейшие практические вопросы эксплуатации таких гигантов.

Инженерам будущего еще предстоит придумать, как именно автоматические роботы без участия человека будут собирать в открытом космосе огромные магнитные кольца с миллиметровой точностью. Необходимо разработать механизмы, которые позволят в автоматическом режиме заменять изношенные внутренние детали реактора. Наконец, нужно решить проблему защиты широких и сильно разогретых панелей радиаторов охлаждения от пробоев мелкими космическими камнями — микрометеоритами и осколками космического мусора, которые летают на огромных скоростях.

Тем не менее, главный вывод исследования меняет сам взгляд на будущее энергетики. Десятилетиями ученые пытаются приручить термоядерный синтез на Земле, сталкиваясь с огромной стоимостью и сложностью проектов. Работа американского физика наглядно показывает: возможно, термоядерный синтез так трудно дается нам именно потому, что мы строим реакторы в неподходящих для них условиях. Освобожденный от земной тяжести и атмосферного давления, токамак раскрывает свой настоящий потенциал, становясь главным кандидатом на роль энергетического сердца для будущей индустриальной цивилизации за пределами Земли.