Термоядерный Новосибирск

В конце ноября новосибирский Институт ядерной физики имени Г.И. Будкера (ИЯФ) официально объявил о начале строительства прототипа термоядерного реактора — первой своей серьезной попытке создать энергетическую установку XXI века. На основе прототипа, который институт пообещал построить в Академгородке примерно за 5 лет, должен быть создан коммерческий термоядерный реактор, который сделает ненужным сжигание угля, газа, урана и даже нефти. Корреспондент НГС.НОВОСТИ поговорил с заместителем директора ИЯФ Александром Ивановым о том, зачем институт строит такие реакторы одновременно во Франции и в Новосибирске, почему будущее человечества обязательно будет термоядерным и когда конкретно это будущее наступит.

Справка: Термоядерный реактор — реактор, использующий для получения энергии процесс управляемого термоядерного синтеза — получение более тяжелых атомных ядер из более легких. Этим он отличается от традиционной ядерной энергетики — в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжелых ядер получаются более легкие ядра. В реакциях, которые планируется использовать, будут применяться изотопы водорода — дейтерий (2H) и тритий (3H).

ИЯФ уже десятки лет занимается созданием магнитных ловушек, в которых в ходе термоядерной реакции могла бы гореть плазма. Почему о начале создания прототипа институт заявил именно сейчас?

Мы занимаемся специфическим видом магнитных ловушек для плазмы в реакторе, которые сильно отличаются от наиболее продвинутых в данный момент ловушек типа токамак или стелларатор. Плазма в токамаках и стеллараторах имеет форму бублика и удерживается от контакта со стенкой с помощью сильного магнитного поля. Такие ловушки называются тороидальными. В нашем случае линейных ловушек плазма представляет собой прямой шнур. Проблема состоит в том, что плазма в таких ловушках упирается в торцы, и надо в этих условиях обеспечить ее термоизоляцию от стенок при температуре несколько десятков миллионов градусов. Иначе плазма остывает. Решение этой проблемы было найдено, но, несмотря на все наши усилия и усилия наших коллег в США, Японии и Южной Корее, температура плазмы в линейных установках оставалась очень долго на относительно низком уровне. И только в последнее время — около двух лет назад начались эти работы в ИЯФ — мы применили систему дополнительного высокочастотного нагрева плазмы, и температура выросла почти в 5 раз. И этот результат дает нам основания переходить к практике — после всех этих десятилетий попыток пробить эту стенку.

Идеи ядерной и термоядерной энергетики появились в одну эпоху. Но ядерная успела пройти весь путь от массового применения до массового разочарования в ней, а термоядерная осталась чуть ли не научной фантастикой. Почему за столько десятилетий физики не позабыли о ней?

В начале 50-х годов действительно была некоторая эйфория, и казалось, что потребуется несколько лет, чтобы овладеть термоядерной реакцией. Однако задача оказалась много сложнее, и пришлось построить целую науку — физику горячей плазмы. И эта наука развивалась десятилетия, пока не достигла уровня перехода в практическую плоскость. И теперь уже совсем актуально звучит высказывание академика Арцимовича, одного из основоположников исследований по управляемому термоядерному синтезу, который сказал примерно так: «Проблема управляемого термоядерного синтеза будет немедленно решена, как только это понадобится человечеству».

Сейчас никаких сомнений, что это можно сделать, уже не осталось. Более того, практически все нужные знания уже получены. То, что обсуждают физики и инженеры, — это уже облик системы, которую используют на коммерческой основе.

Осталось буквально несколько лет до демонстрации термоядерного горения плазмы в установке ITER (международный проект термоядерного реактора во Франции, эксперименты на нем начнутся в 2020 году. — П.Л.), а в паре установок на более коротких импульсах оно уже было продемонстрировано. И в этом смысле тут нет никакой проблемы. Вопрос о том, как должен выглядеть коммерчески привлекательный реактор, какую схему плазменной ловушки он должен использовать, остается открытым. Но то, что энергетика будущего будет основываться на термоядерных реакторах, — в этом сомнений быть не может.

Вы уже упомянули о проекте ITER. В каком объеме институт сейчас участвует в создании этого реактора?

Мы вошли в проект в прошлом году, когда большинство работ между российскими институтами уже было распределено. Россия участвует в создании очень существенных элементов ITER — например, сверхпроводящих магнитов гигантских размеров. Что касается нас, то речь идет о конструкциях токамака, которые содержат системы контроля плазмы. Звучит не очень впечатляюще, однако сами конструкции представляют собой блоки весом по 40 тонн. Даже доставить их во Францию из Сибири — задача нетривиальная, был найден очень сложный путь, включая сплав по реке. Финансирование на текущий момент составляет порядка 1 млрд руб.

Все тот же проект ITER провоцирует неизбежный обывательский вопрос — если первый термоядерный реактор уже строится в 60 км от Марселя, то зачем пытаться строить его прототип в Новосибирске?

Во-первых, ITER — это не термоядерный реактор в коммерческом смысле, т.е. это не электростанция. Более того, это не единственный вариант плазменной ловушки, подходящей для реактора.

В чем состоит преимущество нашей системы? Реактор можно сделать более компактным и более простым в инженерном отношении. А при переходе к коммерческой энергетике это ключевые вопросы.

И поэтому мы вполне оптимистично смотрим на конкуренцию, хотя пока еще существенно уступаем по параметрам плазмы токамакам и работы впереди много.

Здесь же нельзя не поинтересоваться вашим мнением о недавнем заявлении знаменитой американской корпорации Lockheed Martin, пообещавшей, что построит рабочую модель реактора за 5 лет.

В больших западных корпорациях, где денег очень много, все интересно устроено: в их недрах действует много небольших групп, которые занимаются самыми невероятными вещами. Иногда это приводит к действительно востребованным результатам: сама Lockheed Martin выросла во многом благодаря вложениям в такие маленькие группы. Смысл в том, что 95 % этих работ оказываются тупиковыми и закрываются, зато у оставшихся 5 % результаты используются с КПД в тысячи процентов. Мы знаем, что речь идет о схеме, которая, вообще говоря, связана с нашей, но для создания магнитного поля, которое удерживает плазму и не дает ей потерять энергию, там используются проводники, вставленные прямо внутрь плазмы.

А как они выдерживают десятки миллионов градусов?

Вот в этом и есть вопрос. Кроме того, проводники должны быть на чем-то подвешены. И то, что они построят реактор через 5 лет, позвольте мне высказать свое мнение, абсолютно невозможно.

Однако вы сказали, что не сомневаетесь, что энергетическое будущее человечества будет термоядерным. А каковы нынешние представления о примерных сроках прихода этого будущего?

Вопрос этот очень сложный. Инвесторов, которые хотят вкладывать в это деньги, много. Но они все ориентированы на проекты, сулящие строительство первой станции в течение 5–7 лет. И поэтому сначала нам нужен прототип, который по параметрам плазмы был бы близок если не к реактору, то хотя бы к нейтронному источнику, который можно использовать в коммерческих целях. Как только этот прототип будет построен, моментально найдутся инвесторы, готовые вложить в это деньги. И тогда случится взрывной рост этого направления. Это вопрос только демонстрации.

А демонстрацию, то есть прототип, вы обещаете построить за 5 лет.

Я бы сформулировал более точно: на первом этапе мы должны продемонстрировать работу системы с КПД около 10 %. Это уже коммерчески востребовано, потому что создаваемый такой системой поток нейтронов, как я уже сказал, будет очень востребован в промышленности, науке и т.д. Следующий этап — это КПД около 30 %. Такая система может служить основой так называемого гибридного реактора — ядерного реактора, который может использовать более распространенные виды топлива, чем уран, может перерабатывать отработанное ядерное топливо и так далее. И наконец, когда КПД превысит 100 %, т.е. мы получим больше энергии, чем вложим, это будет чистый термоядерный реактор. И то, что я говорил о 5 годах, — это относится к первым двум этапам. И, по нашим оценкам, на завершение второго этапа в нынешних ценах нужно около 4 млрд руб. Пока на ближайшие 2 года у нас есть около 500 млн руб.

Если мы найдем достаточное финансирование, то 5–7 лет вполне достаточно, чтобы выполнить задачи и третьего этапа.

В прототипе мы собираемся опробовать все основные технологические решения для реактора. С другой стороны, прототип отличается от коммерческой станции: мы, например, не можем работать с топливом тритий-дейтерий. Просто потому, что система нейтронной защиты будет очень дорого стоить и нужно фактически строить новое здание, а система переработки трития стоит несколько сотен миллионов долларов. Вырабатывать электроэнергию мы тоже не собираемся — это уже задача инженеров, как использовать выделяемое реактором тепло.

Можно ли описать доступно, как будет работать прототип в отсутствие трития, который считается основным топливом для термоядерных реакторов?

Мы ведем эксперименты с плазмой из дейтерия или водорода, с физической точки зрения разница не так существенна. Однако, скажем, реакции дейтерий-дейтерий дают очень мало нейтронов, и их очень удобно использовать для измерения параметров плазмы без серьезной опасности для персонала. Термоядерный синтез все равно происходит, но с гораздо меньшим выходом, — если хотите, это как использовать 92-й бензин вместо 98-го в одном и том же двигателе, только разница в мощности будет еще гораздо больше.

А что позволяет предполагать, что термоядерная энергетика будет рентабельнее, чем сжигание газпромовского газа, учитывая дороговизну получения трития и т.д.?

Стоимость ядерных реакторов тоже составляет несколько миллиардов долларов. Мы даже можем предполагать, что термоядерные реакторы окажутся несколько дешевле.

Кроме того, огромное количество населения в Китае и Индии, несомненно, будет резко наращивать уровень жизни и энергопотребление. И никакого «Газпрома» не хватит, чтобы их этой энергией обеспечить.

Еще один важный момент — загрязнение среды выбросами и углекислым газом. Вы видите, какая экология в Китае, там уже просто невозможно дышать. Кроме того, накопление СО2 в атмосфере приводит к парниковому эффекту, основная опасность которого заключается вот в чем: в океанской воде растворено огромное количество углекислоты, и даже если чуть-чуть увеличить среднюю температуру, этот газ начинает выделяться. И дальше процесс идет по нарастающей. Это одно из самых ужасных последствий использования минеральных ресурсов путем их сжигания в гигантских количествах. Эти процессы происходят, в этом уже нет сомнений.

А если все же грубо проигнорировать экологию — себестоимость термоядерного киловатта еще никто не прикидывал?

Нет, прикидывали, хотя вы сами понимаете условность таких оценок. Цифры, которые сейчас заявляются, такие же, как средние по нынешней энергетике или ниже.

Вы сказали, что при наличии финансирования дойти до третьего этапа вы сможете за 5–7 лет. А сколько понадобится от этого момента до коммерческих реакторов — хотя бы примерно?

Конечно, сказать, что это случится, допустим, в 2025 году, сложно.

Но, как я уже сказал, при появлении работающего прототипа и инвесторов, по моим представлениям, дальше понадобится 10–20 лет.

Есть ирония в том, что реактор, который должен освободить человечество от нефти, угля и газа, разрабатывается в стране, которая живет за счет нефти, угля и газа…

Наши условия, конечно, специфические, однако это, например, не помешало ядерной энергетике, которая развита у нас в стране достаточно сильно, — Россия здесь один из мировых лидеров. И возможности для создания новой энергетики у нас есть. Есть инженеры, есть фундаментальная наука, которая, несмотря ни на что, пока сохраняется.

И главное — сжигание минеральных ресурсов, которые копились сотни миллионов лет, буквально за несколько столетий, — это просто безумие. И даже такая богатая ресурсами страна, как Россия, не может себе этого позволить.

Мы должны искать какие-то альтернативные источники энергии.

Ядерные станции остаются небезопасными, что доказала недавняя радиоактивная авария в Японии. В термоядерном реакторе опасность больших выбросов радиации отсутствует вообще: например, можно просто отключить систему нагрева плазмы, и реакция прекратится в течение нескольких секунд. Ну и по запасам топлива речь идет о просто несопоставимых вещах. Если всех минеральных запасов топлива хватит на, скажем, несколько сотен лет, то здесь — на миллион лет при любом мыслимом и немыслимом росте потребления энергии. Если, к примеру, учесть, сколько дейтерия содержится в морской воде, то окажется, что это значительно более энергоемкое топливо, чем бензин.