Встреча руководителей США и СССР в 1985 году стала катализатором для реализации одного из самых масштабных международных научно-технических проектов, направленных на создание экспериментального термоядерного реактора ITER (“Путь”). В настоящее время на юге Франции, в регионе Прованс, не одна тысяча специалистов трудятся над созданием комплекса, предназначенного для проведения фундаментальных исследований в области термоядерного синтеза. Успешная реализация проекта ITER может открыть прямую дорогу к созданию термоядерных электростанций нового поколения. Термоядерный синтез представляет собой перспективный источник энергии, который теоретически способен обеспечить вчетверо большую эффективность по сравнению с современными атомными станциями, при этом являясь более экологически чистым и безопасным.

Генеральный секретарь ЦК КПСС Михаил Горбачев и президент США Рональд Рейган (справа) в международном пресс-центре, Швейцария. Женева, 21 ноября 1985

Отсутствие риска неконтролируемых цепных реакций и образование минимального количества радиоактивных отходов, а также возможность использования морской воды в качестве топлива, делают термоядерный синтез весьма привлекательным с точки зрения энергетики будущего.

Международный проект ITER реализуется при участии Европейского Союза со Швейцарией (46% финансирования), США, России, Индии, Китая, Южной Кореи и Японии (по 9% от общего объема затрат). При условии своевременного решения всех технических и финансовых вопросов, запуск ITER запланирован на конец 2025 года, что позволит отметить сорокалетие с момента исторической встречи Рональда Рейгана и Михаила Горбачева в Женеве.

Как это работает

Термоядерная энергетика пытается скопировать процессы, которые происходят внутри звезд: там при сверхвысоких температурах и давлении сливаются ядра изотопов водорода и выделяют огромную энергию.

Чтобы достичь этого на Земле, необходимы особые условия (например, температура в 10 раз большая, чем в ядре Солнца) – их создают в термоядерном реакторе. В его основе, по крайней мере, по самой распространенной схеме, которую использует ITER, – токамак, по форме напоминающая бублик вакуумная камера с магнитными катушками. Первые токамаки появились в СССР еще в 1960-х, для ITER построят самый большой токамак в мире объемом 830 м3.

В токамак запускают дейтерий и тритий и разогревают до температур свыше 150 миллионов градусов Цельсия. Газ превращается в плазму, а чтобы плазма такой температуры не сожгла все вокруг, ее удерживают на расстоянии от стенок магнитным полем; через саму плазму пропускают ток. Мощное магнитное поле обеспечивают в свою очередь сверхпроводящие магниты, которые нужно охладить в вакуумной камере до практически абсолютного нуля – 268°C. Физически же они будут находиться буквально в полуметре от раскаленной до 150 000 000°C плазмы. Обеспечить беспроблемную работу техники в таких условиях – сложнейшая инженерная задача.

Современные токамаки выделяют меньше энергии, чем расходуется на нагрев системы, для генерации их пока приспособить не получается. Лучший результат – у британского JET, который возвращает до 67% затраченной энергии. За счет масштаба конструкции ITER (это будет громадина высотой с девятиэтажный дом, примерно такого же диаметра) создатели рассчитывают, что реактор сможет выделять энергии в десять раз больше, чем расходуется на нагрев плазмы (отдавать 500 МВт с 50 МВт). Этот момент – принципиальный для построения термоядерных электростанций в будущем.

Но ITER не будет производить электричество: вся выделенная энергия уйдет лишь на нагрев стенок токамака. Хотя если эксперименты с ITER пройдут успешно, следующим этапом (с 2030 года) станет прототип термоядерного реактора для электростанций, DEMO – они должны появиться в 2040-50-х годах. О желании построить такие реакторы заявили Индия, Россия, Южная Корея и Япония.

Модель реактора ITER

Важнейшая цель ITER – показать возможность генерации энергии термоядерным реактором. Для этого необходимо будет обеспечить управляемое производство “горящей плазмы” (с ней реакция синтеза будет самоподдерживающейся) и достичь самовоспроизводства трития, достаточно редкого изотопа, использующегося в качестве топлива. Кроме того, ITER должен продемонстрировать, насколько готовы современные технологии к строительству коммерческих термоядерных электростанций, а также позволит оценить их надежность и безопасность.

Безопасность – одно из ключевых преимуществ термоядерных реакторов над привычными ядерными. Здесь невозможна цепная реакция с последствиями: в случае проблем плазма мгновенно остынет и затухнет, отмечают в ITER.

Куда лучше обстоят дела и с радиоактивностью топлива: тритий, слабый источник бета-излучения, будет генерироваться прямо в реакторе. Конструкция реактора при этом предполагает несколько барьеров для возникающих в процессе работы радиоактивных веществ. Период полураспада радиоактивных отходов для большинства изотопов в термоядерном реакторе составляет около 10 лет, тогда как для отдельных компонентов отработанного ядерного топлива эти значения могут составлять тысячи и даже миллионы лет.

С нуля до 63%

В ноябре 1985 года на встрече в Женеве лидеры США и СССР договорились о совместном исследовании термоядерной энергии в мирных целях – это и стало началом проекта. Уже через год был Евратом, СССР, США и Япония подписали договор.

Работа над конструкцией ITER началась в 1988 году и продолжалась до утверждения финальной версии в 2001-м.

В 2003 году к консорциуму для работы над ITER присоединились Китай и Южная Корея, в 2005-м – Индия. Тогда же выбрали и место для строительства: окрестности Сен-Поль-ле-Дюранс в Провансе, Франция, близ научно-исследовательского центра ядерной энергетики Кадараш.

Межгосударственное соглашение о создании ITER подписали министры стран-участниц 21 ноября 2006 года, а в октябре 2007-го начала работу организация ITER Organization – юридическое лицо, ответственное за строительство, работу и последующий демонтаж реактора.

Техники работают внутри здания, где будут изготовлены четыре катушки полоидального поля на строительной площадке Международного термоядерного экспериментального реактора ITER в окрестностях Сен-Поль-ле-Дюранс в Провансе

Площадку начали готовить еще в 2007-м, строить – в 2010-м. Параллельно страны-участницы стали работать над элементами комплекса ITER: Индия строит для проекта криостат, в США разрабатывают центральную магнитную катушку (ее силы хватит, чтобы поднять авианосец), ЕС и Корея готовят вакуумную камеру, Китай с Россией поставляют сверхпроводники (всего понадобится 100 000 км таких проводников), часть катушек и различные электротехнические компоненты, Япония готовит катушки тороидального поля.

По состоянию на конец июня 2019 года проект был готов “более чем на 63%”, отмечали в ITER Organization. Завершены более 70% зданий, началась установка первых компонентов самого реактора. Полноценно фаза монтажа должна начаться в следующем году, по мере постройки и доставки всех необходимых компонентов: например, Китай 23 сентября построил первую 400-тонную магнитную катушку, ее доставят на место строительства ITER к декабрю.

По сложности и технологичности ITER превосходит многие масштабные научные стройки века, в том числе Большой адронный коллайдер.

“Коллайдер – это всего лишь вакуумная установка, в которой ускоряется пучок протонов, это задача более простого уровня. ITER – это физика плазмы, а плазма – это столько степеней свободы, столько неустойчивостей, со всеми ними надо справиться, – рассказал глава российского агентства проекта ITER Анатолий Красильников. – С точки зрения большого количества параметров, которые надо одновременно учитывать, ITER, конечно, намного более сложная проблема, чем коллайдер. Ну и ITER подороже”.

Столь сложный международный проект на базе передовых технологий действительно дорог. Если на старте бюджет проекта оценивался в €5 млрд, то к 2017-му он уже успел перешагнуть отметку в €20 млрд: общую цифру сложно оценить, так как правительства сами определяют уровень расходов на те или иные компоненты, ими производимые. Участники проекта передают не только деньги, но и построенные компоненты. В российском бюджете на ITER в 2020-2022 годах заложили 11,8 млрд рублей (около $180 млн).

Не только ITER

Бублик-токамак – не единственный вариант для термоядерного синтеза, рассматриваемый наукой. Альтернативные способы изучают не только в крупных государственных учреждениях, но и в небольших стартапах. Их сейчас в мире, по оценкам Bloomberg, больше двух десятков. Однако пока о крупных прорывах и контролируемом производстве энергии в коммерческих масштабах пока говорить не приходится.

Ближайший аналог токамака – это так называемый стелларатор, также торообразная, “бубликоподобная” система, при всем своем сходстве не требующая поддерживать в плазме ток. У подобной установки свои плюсы и минусы, самая крупная и успешная на данный момент – немецкая Wendelstein 7-Х. На ней немецкие исследователи установили ряд рекордов, хотя по характеристикам и масштабу до ITER ей далеко.

Стартап Commonwealth Fusion Systems, основанный выходцами из MIT, обещает построить гораздо меньший, более дешевый, при этом ненамного менее эффективный, чем ITER, реактор на токамаке – SPARC. Как это им удастся? Ученые надеются применить новейшие высокотемпературные сверхпроводники и собираются показать решения уже в ближайшие два года.

Еще один нестандартный вариант – термоядерный синтез с инерционным удержанием. В нем используются лазеры, со всех сторон “обжимающие” и нагревающие миниатюрную топливную капсулу дейтерия импульсами, имитируя процессы, происходящие при взрыве водородной бомбы. Крупнейшая в мире научная организация, применяющая этот подход, – Национальный комплекс лазерных термоядерных реакций (National Ignition Facility) в США, там для этих целей используют 193 пучка мощных лазеров.

Канадская General Fusion и американская Tri Alpha Energy используют собственные, еще более экзотические способы термоядерного синтеза, но, увы, до сих пор готовых к коммерческой эксплуатации решений пока никто не представил.

Зачем и когда?

Критики считают, что термоядерный синтез – слишком дорогое и коммерчески неэффективное предприятие, а вкладывать призывают, например, в возобновляемую энергетику. В ITER не отрицают ее важности, но подчеркивают, что создание новых чистых источников энергии с постоянным уровнем генерации (не зависящим, скажем, от числа солнечных дней или силы ветра) остается важной задачей. Термоядерная энергия не заменит возобновляемую, но будет вместе с ней служить еще более удачной альтернативой традиционным “грязным” источникам энергии, считают в ITER.

Вопрос только, когда это произойдет. Первый пуск запланирован на декабрь 2025-го (“лучшая технически достижимая дата”) с использованием водорода, далее будет добавляться гелий, дейтерий и, наконец, полноценная работа на дейтерии-тритии планируется в 2035-м: лишь тогда можно будет достичь десятикратной отдачи по мощности. Даты завершения проекта уже сдвигались, и с учетом его сложности вряд ли можно быть уверенным, что не случится новых задержек. К тому же, несмотря на все попытки, на нынешнем этапе развития технологий термоядерный синтез может оказаться чересчур дорогим для промышленного применения.

Скептики ехидничают, что “термояд – источник энергии будущего, и всегда останется таковым”. Уже через несколько лет человечество сможет остудить пыл скептиков или вновь подкрепить их позиции.

Учитывая сложность темы, вряд ли кто-то готов гарантировать сроки в подобных проектах. Один из пионеров отрасли, советский академик Лев Арцимович на вопрос о том, когда же появится термоядерная энергетика, отвечал просто: “Тогда, когда она станет действительно необходима человечеству”.

Как продвигается проект в настоящее время рассказали руководители его российской части. В центре внимания — ​переход на новую базовую линию (перечень, график и стоимость работ), а также изменения материала первой стенки токамака.

Новая линия

Пересматривали базовую линию несколько лет. Необходимость в корректировке возникла, так как за время существования проекта многое изменилось, большой шаг вперед сделала термоядерная наука. Весь этот год оттачивали детали, и в ноябре на Совете ИТЭР было принято решение о поэтапном переходе. Впрочем, еще до официального утверждения все команды проекта начали его придерживаться, чтобы не терять драгоценного времени. «К некоторым работам, запланированным на 2025 год, мы уже приступили», — ​сообщил директор направления научно­-технических исследований и разработок «Росатома» и вице-председатель Совета ИТЭР Виктор Ильгисонис.

Когда‑то дебютным ключевым событием проекта была названа первая плазма. Новая базовая линия концентрируется на другом — ​на начале эксплуатации на проектных параметрах и дейтерий-дейтериевом эксперименте в 2034 году. Спустя пять лет — ​переход к дейтерий-тритиевой стадии (ради нее и создается ИТЭР). И еще через 10 лет должны стартовать испытания модулей бланкета, который преобразует термоядерную энергию в электрическую.

В России

К началу декабря российские участники проекта выполнили все планы этого года. «Несмотря на колоссальные проблемы с санкционными ограничениями, мы продолжаем поставки во Францию. Каждый год туда уходит несколько десятков грузовиков, каждая отправка — ​борьба за то, чтобы все получилось. И транспортировка, и платежи, и страхование крайне затруднены», — ​прокомментировал директор Проектного центра ИТЭР (входит в «Росатом») Анатолий Красильников.

«Часть очень сложных материалов, сталей, мы получаем от Международной организации ИТЭР, и тоже есть проблемы со сроками и логистикой», — ​добавил гендиректор Научно­исследовательского института электрофизической аппаратуры им. Ефремова (НИИЭФА) Сергей Герцог.

Во Франции

Катушка PF1 (самый большой сделанный в нашей стране сверхпроводящий магнит) проходит обмер, впереди — ​холодные испытания. Они помогут физикам-криогенщикам и специалистам по сверхпроводникам быстрее собрать электромагнитную систему для охлаждения сверхпроводников.

В центре «Кадараш» в Провансе российские специалисты монтируют первые четыре гиротронных комплекса. Кроме самого гиротрона (прибора, генерирующего электромагнитное излучение) мощностью 1 МВт туда входят источники питания, элементы охлаждения, защиты и управления. Еще четыре гиротронных комплекса отправят из России во Францию в следующем году. Кстати, изобрели гиротрон в нижегородском Институте прикладной физики им. Гапонова-Грехова РАН, его оборудование стоит практически на всех крупнейших токамаках в мире.

Россияне задействованы не только в сборке гиротронных комплексов, некоторые наши специалисты занимают в ИТЭР крупные должности. Так, бывший заместитель гендиректора НИИЭФА Игорь Родин возглавил руководство сверхпроводящими системами проекта. Александр Алексеев, тоже из НИИЭФА, — ​экспертную службу инженеров, которая решает непредвиденные технические вопросы в процессе строительства. «Европейские физики сказали, что очень довольны работой с коллегами из России», — отметил Анатолий Красильников.

Вольфрам вместо бериллия

Главное новшество — ​смена материала первой стенки токамака. Она должна была быть бериллиевой. В 2023 году в НИИЭФА испытали макет одного сегмента собственного производства. Но в этом году руководство ИТЭР распорядилось использовать вольфрам. «Решение о бериллиевой стенке было принято 16 лет назад. За это время вопросы экологии приобрели еще большее значение, регуляторные правила Евросоюза сильно изменились. Теперь технические работы с бериллием пришлось бы обставлять столькими средствами обеспечения безопасности, что это было бы просто невыгодно ИТЭР. Лучше сразу вложиться в перспективный для использования в энергетической, а не экспериментальной установке материал», — ​пояснил Виктор Ильгисонис.

НИИЭФА готовится к изготовлению первой стенки из вольфрама. «В 2025 году продолжим работы по внутрикамерным компонентам», — ​сообщил Сергей Герцог.

Прорабатывается вариант нанесения на вольфрам карбида бора. Это должно сгладить главный недостаток вольфрама — ​попадание многозарядных примесей в токамак. Организация ИТЭР заключила с российской стороной контракт на исследования для создания технологии нанесения карбида бора. В них будут участвовать несколько научных институтов и вузов. В частности, в НИИЭФА планируется провести циклические тепловые испытания электронным пучком. В институте в Троицке — ​проверить качество покрытия, облучая его импульсными плазменными сгустками.

Поскольку вольфрамовые примеси снижают температуру плазмы, чтобы получить проектное отношение термоядерной мощности к мощности нагрева плазмы, равное 10, необходима гораздо большая мощность электронно-циклотронного нагрева. Потребуется 80 или даже 87 гиротронов вместо 24. «По-видимому, Институт прикладной физики получит колоссальный дополнительный заказ», — ​заключил Анатолий Красильников.

Отечественный термояд

ИТЭР способствует активному развитию национальной термоядерной программы. Анатолий Красильников сказал, что благодаря сотрудничеству команд институтов «Росатома», РАН и вузов появился прообраз термоядерной промышленности России. Но в целом наш токамак с реакторными технологиями (ТРТ) отличается от ИТЭР: проводники не низко-, а высокотемпературные, первая стенка, возможно, жидкометаллическая, литиевая. И ТРТ будет компактнее, нужной температуры плазмы при меньших габаритах позволит достичь магнитное поле 8 Тл (у ИТЭР — ​5,3 Тл).

В ноябре генеральный конструктор, НИИЭФА, завершил эскизный проект и приступил к техническому. Ближайшие два года институт отводит на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по ТРТ.

Автор: Николай ЩЕТЬКО
Источники: https://www.currenttime.tv/, https://strana-rosatom.ru/