Это Emma. Она собирается спасти мир (и излечить рак)

Криогенный инженер Рахель Бакли внутри ускорителя ‘Emma’ (мультифункциональная модель электронов) в Дэрсбери

Представьте безопасный и экологический чистый ядерный реактор, использующий широкодоступное топливо, производящий небольшие объемы быстрораспадающихся радиоактивных отходов, и который невозможно использовать для производства и / или распространения ядерного оружия. Звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой, однако это не научная фантастика. Это то, что готово к использованию, если мы освоим энергию серебристого металла, находящегося в речных и морских песках, почве и гранитных породах по всему миру: тория.

Одна тонна тория может произвести столько же энергии, сколько 200 тонн урана или 3.5 млн. тонн угля, и разведанные месторождения тория могли бы обеспечить мир энергией на 10,000 лет. В отличие от урана, торий намного проще и дешевле в добыче и обогащении, а также намного менее токсичен. К счастью, торий позволяет получать энергию без выбросов углекислого газа: то есть экономика, использующая торий, будет практически CO2-нейтральной.

Еще лучше, ядро ториевого реактора не может расплавиться, а объем радиоактивных отходов (РАО) составит лишь 0.6% объема РАО аналогичного по мощности уранового реактора. Ториевый реактор даже может быть адаптирован для «сжигания» существующих урановых РАО, и таким образом существенно сократить период их полураспада и токсичность.

Дверь в лабораторию, где размещаются Emma и Alice

После землетрясения и цунами в Японии, последовавшие расплавы ядер реакторов и утечки радиации с АЭС Фукусима-1 поставили будущее атомной энергетики по всему миру под сомнение: Германия объявила о закрытии всех АЭС в стране до 2021 г. Торий дает возможность оживить умирающую отрасль на значительно более безопасной основе.

‘Если нам дадут ресурсы для исследований и разработок, мы можем осуществить это,’ говорит профессор Боб Цывински из университета Хаддерсфилда.

‘Более того, мы можем сделать это здесь, в Британии, поскольку сейчас именно мы обладаем лидерством в этой технологии. Если наша страна осуществит необходимые инвестиции, мы не только активизируем нашу собственную атомную отрасль, но также приобретем обширный экспортный рынок потенциальной емкостью в десятки миллиардов фунтов и создадим тысячи рабочих мест.’

Хорошей новостью является то, что благодаря средствам программы базовых технологий Совета по исследованиям Великобритании (RCUK), мы сделали первый, критически важный шаг для реализации этой идеи – построили высокотехнологичную машину с на удивление обычным именем: Emma.

Дэрсбери, научный парк, в котором Emma живет в большом, пустом сооружении с массивными бетонными стенами толщиной более двух футов, не так уж живописен – он окружен электростанцией и находится на болотистой равнине Чешира между Ранкорном и Уоррингтоном, в устье реки Мерси.

Внутри сооружения довольно сложно говорить, поскольку криогенные вакуумные насосы, которые охлаждают внутренности подруги Эммы – Алисы – до -271°C, ужасно шумят. Вместе с тем Emma – мультифункциональная модель электронов – это предмет научной красоты, сверкающее красно-голубое металлическое кольцо с кабелями и плоскими октагональными квадрупольными магнитами (магниты, организованные в группы по четверкам).

На одной стороне кольца торчит под углом 65 градусов труба к специальному магниту, который используется для ввода частиц – то, что ученые называют ‘перегородкой’. Он подсоединен к Алисе (Alice), отдельной установке, генерирующей луч электронов: представьте ее как на подпружиненный триггер, который оттягивают чтобы начать игру в пинбол.

После ввода через перегородку в Emma, луч электронов вращается по кольцу в трубе из нержавеющей стали шириной 4 см и длиной 18 м. Благодаря радиочастотным резонаторам, которые ускоряют луч, и квадрупольным магнитам, фокусирующим его, энергия электронов быстро нарастает, а скорость разгоняется до скорости света.

К Emma подведены многочисленные электронные системы мониторинга и удаленно управляемые моторы для фиксации точного расположения магнитов. В конечном счете, вся система подключена к консолям компьютеров в соседней комнате управления.

Над ними находится грубая деревянная полка, на которой стоит длинный ряд бутылок шампанского – каждая из которых открывалась чтобы отметить успехи в четырехлетней истории Emma, от чертежа до функциональности.

Диаграмма, показывающая как электроны проходят от Alice к Emma, которая затем разгоняет их и подает в диагностическую трубку для анализа

‘Наиболее радостное событие мы отмечали в конце прошлого года,’ говорил Нейл Блисс, менеджер проекта и ведущий инженер Emma. ‘Мы соединили все части установки и в конце концов свершилось: пришло время запуска. Мы ожидали, что запуск займет недели. Но уже спустя четыре дня все системы работали: инжектор луча, диагностическая трубка, электрооборудование.

‘Это произошло, когда Emma заработала. Мы давно знали, что в теории можно построить что-то такое. Но практическая реализация потребовала неординарных усилий нашей лаборатории.’

Emma – это ускоритель частиц, первый в совершенно новом классе. После того как первые такие установки были созданы почти 80 лет назад, ускорители – устройства для разгона лучей электронов, протонов и других частиц – сыграли решающую роль в экспериментальной физике, открывая новые познания о природе материи и происхождении вселенной. Но большинство ускорителей огромны и дороги. Наиболее известный и крупнейший из них – Большой Адронный Коллайдер, управляемый ЦЕРН в Швейцарии, подземное кольцо окружностью 17 миль и стоимостью в миллиарды.

Emma другая. Она первая в мире ‘немасштабируемый, с постоянным полем, знакомпеременный’ (NS—FFAG) ускоритель. С точки зрения непрофессионала, говорит Блисс, это означает что она имеет ‘карманные’ размеры, и является прототипом нового поколения, которое будет значительно меньше и дешевле чем его предшественники.

И это выделяет Emma среди остальных ускорителей. Если ускорители частиц станут более доступными, то они могут быть использованы в повседневных приложениях – таких как ториевые электростанции. Ключ к ториевым станциям скорее всего в разработке ‘карманных’ установок – в точности ускоритель который выглядит и ведет себя как Emma.

Хотя АЭС традиционно получали электроэнергию из обогащенного урана или плутония, потенциал тория как топлива для АЭС был давно известен. Небольшой реактор-прототип – построенный по совершенно иной модели, чем предлагаемые сейчас – был построен в США в 1960-х. Однако тогда, в разгар холодной войны, интерес правительства к этой технологии был невысок. Причина в том, что ториевый реактор практически непригоден для производства ядерного оружия.

‘Торий имеет столько очевидных преимуществ, что уместно задать вопрос, почему мир вообще избрал уран,’ говорит доктор Билл Наттолл, эксперт по энергетическим технологиям бизнес-школы Judge Кембриджского университета.

‘Ответ кроется в том, что инвестиции в военную и гражданскую ядерные программы всегда были тесно связаны. В действительности, зрелые реакторы на легкой воде, которые широко распространены сейчас (такие как Суффолк Сайзвелл ‘B’) являются прямыми наследниками систем для атомных подводных лодок.’

Кольцо Emma и труба-‘перегородка’ передающая электроны из Alice

Цывински и Наттолл являются участниками ThorEA, Ассоциации Ториевой Энергии, которая объединяет экспертов из нескольких британских университетов и исследовательских институтов. Они намереваются спроектировать ториевую электростанцию, которая по определению удовлетворяет требованиям о нераспространении ядерного оружия. Цывински утверждает, что, ‘ториевая АЭС не сможет произвести материалов, которые используются для производства ядерного оружия. Вы можете с легкой душой продавать такие решения Ирану или Северной Корее.’

Ториевая АЭС, как уже говорилось, также не сможет подвергнуться расплаву ядра (как в Чернобыле или Фукусиме), поскольку ториевый реактор будет ‘докритическим’. Не будет ‘критической массы’ нестабильного и радиоактивного материала, могущего запустить неуправляемую цепную реакцию при потере контроля за реактором.

В действительности, предоставленный самому себе, ториевый реактор не сможет стать жертвой случайности. Атомы тория начинают участвовать в реакциях ядерного деления и выделяют энергию только тогда, когда они бомбардируются нейтронами, а этот процесс должен поддерживаться внешним источником – в конечном счете ускорителем частиц.

‘Это означает, что запас прочности и безопасности значительно выше, чем у обычного ядерного реактора,’ говорит Цывински. ‘Если ускоритель частиц останавливается, все что случится – это убывание реакции. Все, что вам нужно сделать для остановки реактора – это выключить ускоритель частиц.’

И если реактор поврежден землетрясением, добавляет он, даже такой мощный как реактор Фукусимы, ториевый реактор будет ‘внутренне безопасен’.

‘Конечно будет присутствовать остаточная радиоактивность, нагревающая ядро, но самоподдерживающийся процесс ядерного деления просто остановится. Все охладится намного быстрее. Вы получите не потенциальную катастрофу, а всего лишь кашу расплавленного металла и его оксидов.’

Этот тип электростанций – названный ‘усилителем энергии’ лауреатом Нобелевской премии, физиком Карло Руббиа (Carlo Rubbia) в 1993, когда он запатентовал базовый дизайн – не будет простым. Поскольку нейтроны не несут электрического заряда, магниты ускорителя частиц не могут разогнать их.

Следовательно, для генерации нейтронов которые запустят реакции ядерного деления тория необходим ‘источник расщепления’ (spallation source) в середине ядра реактора. Это вещество – например, расплавленный свинец – которое вырабатывает нейтроны когда вы направляете луч протонов на него. Этот луч, в свою очередь, должен появиться из ускорителя частиц.

Настройка магнитов установки Emma

‘В действительности,’ говорит Цывински, ‘скорее всего понадобятся два или три ускорителя для каждого реактора.’ Одна из причин – это необходимость регулярного обслуживания и поддержки.

‘Невозможно просто включить его и ожидать от него непрерывной работы в течение десяти лет.’ Более того, если один из ускорителей откажет, необходима замена; в противном случае реактор подвергнется потенциально вредным циклам охлаждения и нагревания, которые могут значительно сократить срок его работы.

В теории, можно сгенерировать лучи протонов используя давно известные типы ускорителей, возможно синхротрон, как тот гигантский коллайдер в ЦЕРН. Но стоимость трех синхротронов, способных разгонять лучи протонов с энергией, достаточной для электростанции, составляла бы миллиарды. Вот в чем значение ускорителя Emma.

В прошлом году ThorEA опубликовала отчет ‘В направлении альтернативного ядерного будущего’, основной вывод которого – возможность строительства электростанции мощностью 600 МВт на тории с тремя небольшими ускорителями типа NS—FFAG в течение 15 лет и первичными капитальными затратами порядка £2 млрд. – что сделает торий достаточно конкурентноспособным по сравнению с угольными ТЭС или урановыми АЭС.

Британия столкнулась с неотвратимым и потенциально опасным дефицитом электрогенерации, поскольку электростанции всех типов подходят к концу своих нормативных сроков эксплуатации. С ростом цен на газ, уголь, и нефть, не нужно быть фанатом-экологом чтобы увидеть преимущества электрогенерации без сгораемых топлив. Лорд Дрэйсон, министр науки в прошлом Кабинете, с энтузиазмом воспринял концепцию ториевых электростанций, и его интерес привел к публикации упомянутого отчета ThorEA.

И хотя коалиционный Кабинет продолжает политику миллионных субсидий ветроэлектростанциям, которые, как упоминалось ранее в этом году, производят скачкообразную нестабильную нагрузку и имеют свои собственные экологические издержки, он пока решил ничего не делать для ториевого проекта, ограничившись ‘наблюдением’.

Дело в том, что анализ проекта ключевым научным советником правительства, сэром Джоном Беддингтоном, в прошлом году показал, что исследования по торию не являются приоритетными, поскольку ‘разработка технологии отдаляется в неопределенное будущее’.

Это удручающий пример порочного круга: если ученых не финансируют для продолжения разработок, технология действительно так и останется ‘в неопределенном будущем’. Тем временем, причины пессимистических выводов сэра Джона выглядят странно.

В письме к Цивински, он признал, что наука ториевых реакторов ‘хорошо обоснована’, и сообщил, что основной причиной, по которой он не смог порекомендовать правительству поддержать проект, явилось отсутствие исследований по репроцессингу использованного ториевого топлива ‘на промышленной основе’.

Но это, говорит Цывински, совершенно не соответствует истине: ториевая электростанция не только будет производить намного меньше радиоактивных отходов чем обычная АЭС, но ее топливо – которое должно обновляться каждые 10 лет, по сравнению с 18 месяцами для обычных АЭС – вообще не потребует переработки.

‘Это одноразовый топливный цикл,’ говорит Цывински. ‘Еще одна привлекательная черта тория.’

Комната управления

Несмотря на то, что строительство еще не профинансировано, следующий критический шаг к энергии тория, мощный протонный ускоритель NS—FFAG типа – не просто отдаленная теоретическая возможность. Та же группа исследователей, которая разработала и построила Emma, уже создала детальный план ее преемницы, Pamela, ускорителя частиц для медицинских приложений (Particle Accelerator for Medical Applications). Как подразумевает ее имя, Pamela будет иметь немедленное практическое использование в весьма отдаленной от электрогенерации сфере: лечении рака.

В небольшом числе частных больниц мира используется протоновая радиотерапия – используется протоновый луч вместо обычных рентгеновских лучей. Ее ценность широко признана: лучи протонов могут значительно более точно направлены на больные ткани органов и практически не повреждают окружающие ткани. Однако в Британии существует только один центр протонной терапии, в Клаттербридж (Мерсисайд), и луч из его маленького и относительно слабого ускорителя не может проникнуть глубоко внутрь тела, а следовательно используется лишь для лечения опухоли глаза.

Pamela будет гораздо более универсальной. Единица измерения энергии, производимой ускорителем частиц – электронвольт, или eV. Emma способна придать частицам 20 MeV (20 миллионов электронвольт). Установка в Клаттербридже производит 62 MeV. С другой стороны, Pamela сможет разгонять протоны до 400 MeV.

На этом уровне Pamela сможет лечить широкий диапазон опухолей, которые сейчас невосприимчивы к рентгеновской радиотерапии, такие как рак мозга, или тяжелоизлечимые, такие как рак простаты или легких. Ускоритель типа NS—FFAG также подразумевает, что луч частиц будет непрерывным, вместо пульсирующего луча значительно более дорогих ускорителей, используемых сейчас. Не только стоимость, но и длительность лечения пациента будет значительно сокращена.

Вместе с тем, 400 MeV ускоритель значительно приблизит ученых к цели – 1 GeV (один миллиард электронвольт) лучам, которые необходимы для коммерческого ториевого реактора. ‘Если мы можем построить Pamela, мы проделаем основную часть пути к ториевым электростанциям,’ говорит Цывински. ‘С точки зрения исследований и разработок, мы будем почти у цели.’

Не мечта ли это, дорогая азартная игра, которая не может быть оправдана во времена жесткой экономии? Нет, утверждает профессор Кен Пич из института исследования радиотерапии рака Оксфордского университета.

‘Я уверен, что мы можем построить установку, которая преодолеет технические трудности и сразу будет применима для лечения рака,’ говорит он. ‘Я думаю Pamela может потребовать затрат порядка £10-15 млн. и пяти лет на строительство. И это будет ключевым шагом к ториевой электростанции. Это не будет дешево. Но это будет высококонкурентно.’

Отчет ThorEA предполагает, что как только Pamela и более мощные протонные ускорители типа NS—FFAG заработают, частный сектор сможет взять на себя большую часть затрат на разработку ториевой энергетики. Норвежская инжиниринговая компания Aker Solutions уже работает с Карло Руббиа над разработкой проектов реакторов.

Кроме того, утверждает Пич, британские исследователи работавшие над запуском Emma, разработкой Pamela и составлением отчета ThorEA опубликовали свои идеи. ‘Все уже в открытом публичном доступе.

Сейчас, когда Emma показала, что ускорители типа NS—FFAG могут разгонять лучи, я думаю есть реальная возможность для Британии приобрести решающее технологическое преимущество. Но если мы не профинансируем разработки, это сделает кто-то другой.’

К примеру, бельгийские ученые, при помощи правительственного гранта на сумму £300 млн. разрабатывают ториевый реактор в основном для деактивации старых радиоактивных отходов. Их коллеги в Китае и Индии – которые имеют крупные запасы тория – проявляют большой интерес.

Возможно из-за остающегося мощного уранового лобби ‘старой’ технологии, это обязательство до сих пор не принято правительством Великобритании. Однако, согласно Цывински, ‘мы не должны себя спрашивать, можем ли мы позволить себе инвестировать в эту технологию. Мы должны спрашивать, можем ли мы не позволить эту инвестицию.’ Как нефть и газ, уран – исчерпаемый ресурс, и его стоимость уже растет. Некоторые экономисты оценивают, что к середине столетия стоимость урана станет недоступно высокой.

В Дэрсбери, Нейл Блисс гордо стоит возле Emma.

‘Для Британии крайне важно использовать ресурсы, которые мы имеем, чтобы оставаться в авангарде технологий. Я бы не хотел осознать, что провел последние четыре года своей жизни в этом здании и не увидел следующего логического шага вперед. Это будет не столько потерей – это будет трагедией, которая обернется миллиардными потерями для этой страны.’

Источник: This is Emma. She’s going to save the world (and cure cancer)