Запчасть для атомного Вавилона: российские ученые изобрели специальный материал для термоядерного реактора, который подарит миру зеленую энергетику
Российские ученые из ИФХЭ РАН и НИЯУ МИФИ смогли сделать особый материал для любых поверхностей внутри термоядерной установки. Материал сможет противостоять температуре, превышающей накал внутри Солнца в ~1000 раз. Этот неприметный шаг принесёт человечеству ещё больший прогресс, чем, к примеру, переход от каменного к железному веку. Атомная энергетика уже неплохо освоена, а термоядерная, основанная на такой же реакции, как внутри Солнца, давно известна, но пока не освоена до промышленного уровня — установки термоядерных реакций могут работать лишь несколько секунд, а затем приходится прерывать процесс из-за перегрева. Человечество сообща работает над их улучшением уже свыше 50 лет. И каждое такое улучшение — вклад в копилку по-настоящему зеленой энергетики.
Устройство ITER внутри. Фото с сайта ITER
Наследие «мирного атома» и токамак
Россия стала наследницей звания пионера атомной энергетики. Советский Союз был первой страной в мире, которая построила атомную электростанцию. И первой же страной, которая прочувствовала на собственном опыте, каково это — ликвидировать последствия аварии в энергоблоке на основе атомного реактора, работающего на урановом топливе. Россия на сегодняшний день остается единственной страной, у которой есть атомный ледокольный флот. И кроме того, Россия первой в мире придумала и «обкатала» технологию реактора типа «Токамак». Это первые буквы слов «тороидальная камера с магнитными катушками». Тороидальная камера — это «полый бублик», внутри которого через газ пропускают электричество, а магнитные катушки сдерживают поток этого газа вдали от стенок. Газ, через который пропускают электричество, — «плазма», или так называемое четвертое состояние вещества.
Разница между токамаком (это слово-аббревиатура после успеха советских ученых стало нарицательным во всём мире) и обычным реактором приблизительно такая, как между костром и Солнцем. В термоядерной установке температура плазмы — 150 миллионов градусов Цельсия. И там протекает такая же реакция между атомами водорода, как и на Солнце. Но температура на поверхности Солнца — до 10 миллионов градусов.
Токамак впервые опробовали в 1954 году. Показатели, которые советские учёные передали своим коллегам из других стран и передали в прессу, были настолько невероятными, что учёные Великобритании отказывались верить в это, пока им не устроили специальный визит в СССР в 1968 году, чтобы они посмотрели на действующий токамак.
В случае с такой термоядерной реакцией, как в токамаке (или на поверхности Солнца), речь уже идёт о синтезе, то есть создании нового материала, а не распаде имеющегося в «топке печи», как в случае с атомными электростанциями. Изотопы водорода в виде трития и дейтерия вынуждены сталкиваться между собой. Чтобы их столкнуть, нужны особые условия — электрический ток, магнитные катушки, особая чистая среда, специально сконструированная камера. На Земле не так-то просто сконструировать небольшое Солнце, которое ещё и буквально никому не будет светить, но сможет зажечь десятки тысяч лампочек. В токамаке «редкие версии» водорода сталкиваются, образуют атом гелия, который на «ступеньку выше» в таблице Менделеева. При этом один электрон оказывается «лишним» — он отстреливается от ядер, вступивших в реакцию атомов. При этом высвобождается большое количество энергии, которую токамак улавливает и превращает в электрическую. До тех пор, пока несколько секунд его работы не перегреют систему. После этого он отключается.
Атомный Вавилон и настоящая зелёная энергетика
После того, как токамак был запущен в СССР в 1954 году, в нашей стране было построено еще несколько подобных установок, а по всему миру счет пошел на десятки. В каком-то смысле это была «мода на токамак». Во Франции сейчас строится международный реактор ITER, строительство которого стартовало в 2020 году. Он также представляет собой токамак.
Проект начал разрабатываться в середине 1980-х годов, в 1992-м было подписано четырехстороннее (ЕС, Россия, США, Япония) межправительственное соглашение о разработке инженерного проекта, который был завершен в 2001 году. Построят ITER по планам примерно к 2025 году. Иногда его роль в своих материалах СМИ немного искажают — это не реактор, от которого ожидают, что он даст электроэнергию для целой европейской страны или даже нескольких. Это термоядерный полигон, на котором учёные смогут обкатать оригинальные решения, редкие металлические сплавы, режимы работы установки и прочее.
Учёные разных стран считают, что термоядерные реакции смогут подарить новую энергетику планете. Запасы дейтерия в мире практически не ограничены — он есть в любой воде. В литре любой воды его столько, что если использовать его как топливо для токамака, то это выйдет эквивалентным сжиганию 200-300 литров бензина. Для реакции нужен ещё и тритий. С ним сложнее — в природе его практически нет, а синтезировать обходится недёшево. Но выход нашёлся довольно простой — при правильной подготовке термоядерного реактора тритий будет образовываться уже внутри него, а затем вступать в реакцию с дейтерием. Отходов у такой энергетики будет намного меньше, они будут в разы безопаснее. Их утилизация — вполне понятная и посильная задача. В случае серьёзного повреждения токамака наружу высвободятся не радиоактивные отходы, а лишь водород и литий — авария, подобная Чернобыльской, просто невозможна.
Дивертор и патент
Выше мы упоминали, что в бубликоподобной камере плазма в идеальном случае не касается стенок — её сдерживает магнитное поле. Но всё же потоки плазмы подобно протуберанцам на поверхности Солнца могут вытягиваться «плетями» и касаться чего-либо. Если стенки тороидальной камеры почти не касаются раскаленной плазмы, то одна деталь токамака является чуть ли не «плугом», который скользит по поверхности газового кольца. Вернее, сама плазма скользит по нему, но это не имеет значения ввиду относительности. Дивертор — это плуг, который «скашивает» лишнюю плазму, позволяя медленнее загрязняться плазме и сливать отработанные продукты реакции через специальные отверстия внизу камеры. Именно дивертора в первую очередь касается изобретение российских учёных.
Очень упрощённый рецепт того, что получили учёные, выглядит так. Нужно взять в качестве основы для материала квадратную пластинку меди толщиной 5 миллиметров и со стороной, эквивалентной высоте обычной пачки сигарет (80 миллиметров). Деталь нужно обработать в ультразвуковой ванне в среде изопропилового спирта в течение часа. Ультразвуковые ванны используются для очистки ювелирных изделий.
Потом этот квадрат вместили в особую камеру. Это так называемое реакционное оборудование с подогреваемыми стенками и некоторыми другими интересными возможностями. Из камеры откачали почти весь воздух, пока в колбе не образовалось близкое к вакууму состояние, а затем пришлось накачать в неё немного водорода.
Камера как духовой шкаф прогрела медный квадрат приблизительно до 80% от температуры плавления меди, чтобы подложка была горячая, но не расплавилась. «Запекание» длилось ещё два часа, потом добавили ещё немного водорода и добавили в камеру газ гекстафторид вольфрама. После этого на медный квадрат в течение трех с половиной часов из газовой смеси оседал вольфрам — один из самых тугоплавких металлов из таблицы Менделеева. Именно он стал металлом, который смог «поселиться» в лампочке накаливания в период ее изобретения и выдержать напряжение, но не сгореть.
Нельзя было бесконтрольно нанести вольфрам толстым слоем на медь, иначе из тонко выверенного материала это был бы очередной грубый кусок металла. Толщину контролировали микроскопом, она должна была быть от 30 до 500 микрометров (до 0,5 миллиметра). Для сравнения: толщина человеческого волоса разнится от 40 до 120 микрометров. После этого учёные сделали больше 100 циклов нагрева пластины до 200-500 градусов по Цельсию и охладили, чтобы проверить ресурсность полученного материала. И остались довольны результатом — на поверхности не проявились пятна от перегрева, что означало хорошую и однородную теплопроводность материала.
Потеющая стенка
Но и это ещё не всё. Для охлаждения внутреннего пространства токамака учёные изобрели для поверхностей возможность «потеть» жидким литием. Дело в том, что литий легко плавится, но неохотно испаряется и неохотно вступает в реакцию с плазмой. Потому в диверторе и стенках тороидальной камеры есть множество небольших отверстий, через которые жидкий литий вытекает на поверхность и действует как охлаждающая жидкость. Излишки охлаждающего лития стекают через специальные отверстия, которые мы описывали выше. Этот метод охлаждения придумали много лет назад, и его потенциал полностью раскрыт (или по крайней мере пока что учёным так кажется).
Но сам новый материал для стенок и дивертора является более теплопроводным в 2-8 раз, что в паре с охлаждением жидким литием снова на какие-то ступень или даже две сдвинет мечту о термоядерной энергетике вперёд. Новый материал обладает такой смачиваемостью, что капля расплавленного лития по нему растекается так, что покрывает до 90 % поверхности — это очень высокий показатель, важный для системы охлаждения.
Ученые сравнили результат как минимум с пятью разными композитами, сделанными специально ранее другими специалистами под нужды термоядерных установок. Новый материал оказался лучше их всех по ряду качеств — долговечность, коррозионная устойчивость к литию, возможность отводить тепло, прочность. Когда материал смогут применить в ITER, можно будет увидеть, сколько проживёт «маленькое Солнце» в установке и насколько это приблизит к реальности новую энергетику.
