Зажечь звезду в лаборатории, чтобы в перспективе получить неисчерпаемый источник энергии, выгодно для всего человечества. Именно такую цель преследуют 35 стран, объединившись для создания термоядерного реактора ИТЭР. О том, на какой стадии этот проект, что делают для его реализации ученые нашего государства и, в частности, специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, рассказал директор учреждения Госкорпорации «Росатом» «Проектный центр ИТЭР» доктор физико-математических наук Анатолий Витальевич Красильников.
История ИТЭР (ITER — International Thermonuclear Experimental Reactor, Международный термоядерный экспериментальный реактор. — Прим. ред.) начинается с 1985 года, когда Советский Союз предложил совместно строить установку токамак, используя наработки по исследованиям управляемого термоядерного синтеза ученых европейских государств, США, Японии и СССР. Через год эти страны подписали соглашение о проектировании крупнейшей международной термоядерной установки ИТЭР. Фаза концептуального проектирования началась в 1988 году и продолжалась два года. Затем стороны приступили к техническому проектированию и в 2005 году выбрали место для строительства реактора — в 60 км от Марселя (Франция) на территории исследовательского центра Кадараш. В 2017 году установка была построена наполовину, а в 2019 планируется достичь отметки в 70 % выполненных работ по возведению зданий. Высота сооружения — 73 м, из которых 60 м находятся под землей. Термоядерная реакция, которую запустят в ИТЭР, — это слияние изотопов водорода (дейтерия и трития), в результате чего рождаются ядра гелия, нейтроны и 17,6 мегаэлектрон вольт энергии.
— На самом деле, человечество купается в термоядерной энергии, только она к нам приходит извне — от Солнца. Ветровая, углеводородная, гидроэнергетика — все они существуют благодаря нашему светилу. На нем протекают реакции синтеза ядер легких элементов, в результате выделяется кинетическая энергия (тепло), и образуются более тяжелые ядра. Но для того, чтобы два положительно заряженных ядра преодолели силы кулоновского отталкивания, они должны двигаться навстречу друг другу с огромной скоростью, что возможно только в очень горячей среде. Если говорить образно, создавая термоядерный реактор ИТЭР, физики и инженеры решили зажечь Солнце на Земле, причем повысив его температуру в пять раз, до 250—300 000 000 °С. Термоядерные реакции протекают в плазме (это ионизированный газ, состоящий из заряженных частиц, как правило, электронов и ионов, взаимодействующих между собой через электрические поля. — Прим. ред.), в звездах она удерживается в определенном объеме благодаря силам гравитации, а в ИТЭР — магнитным полем с помощью специальной конструкции токамак, изобретенной советскими физиками в Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова в 1951 году. Токамак расшифровывается как тороидальная камера с магнитными катушками, в нем плазма свернута в бублик, на него «надеты» магнитные катушки. Результирующее магнитное поле, состоящее из поля, которое генерирует сам бублик, а также тороидальные и полоидальные катушки удерживают плазму. Первоочередная задача, которую решает проект, — сформировать на Земле такое плазменное образование, в котором термоядерной энергии будет производиться существенно больше, чем требуется для его создания.
– Когда ИТЭР начнет работу?
– В 2025 году запланирован пуск реактора, мы получим первую плазму и начнем ее удерживать от 100 миллисекунд до нескольких секунд. Чтобы проиллюстрировать сложность систем, которые это будут обеспечивать, достаточно представить, что на оси плазменного бублика — температура 250—300 000 000 °С, а на расстоянии трех метров от нее — 268 °С ниже нуля. Там находится сверхпроводящая магнитная конструкция из ниобий-три-олова и ниобий-титана. При повышении температуры даже на два градуса эти материалы перестанут обладать нужными свойствами, и огромный ток, который по ним идет, выделится в виде тепла, а это приведет к остановке всей машины.
– Как решается задача сосуществования температур в несколько сотен миллионов градусов и почти абсолютного нуля (-273 °С)?
– Плазма испускает потоки тепла и нейтронов, и перед инженерами стоит задача не пропустить их к сверхпроводнику. Для этого создана специальная защитная конструкция толщиной в один метр, она состоит из 40-сантиметровых модулей бланкета (от англ. blanket — одеяло. — Прим. ред.) и 60-сантиметровой вакуумной камеры. Передняя часть модуля бланкета, называемая первой стенкой, обращена к плазме и состоит из металла с высокой теплопроводностью — бериллия, он напаян на нержавеющую сталь, пронизанную каналами с водой, чтобы снимать поток тепла. 40 % этой стенки делает предприятие Росатома Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова. Это же учреждение отвечает за изготовление дивертора — фрагмента первой стенки, принимающего на себя максимальный поток тепла из плазмы. Дивертор сделан из тугоплавкого металла вольфрама. Поскольку в реакции участвует тритий, а это радиоактивный элемент, очень важно, чтобы он не накапливался в материале, поэтому выбрали вольфрам и бериллий, которые слабо сорбируют тритий. Последний, отражаясь от них, возвращается внутрь ловушки.
– Как будет производиться горючее для термоядерной реакции: дейтерий и тритий?
– Доступность топлива — одно из преимуществ термоядерной энергетики. Дейтерий — стабильный изотоп водорода (в ядре у него один протон и один нейтрон), широко распространенный в природе газ. Его можно получать из природных вод, максимальные количества дейтерия содержатся в Мировом океане. Если месторождения урана или углеводородов рассредоточены по планете неоднородно и часто становятся предметом конфликтов между странами, то дейтерий распределен более равномерно. Доступ к нему будут иметь государства, развивающие науку и технологии, а не методы захвата чужих территорий. Тот же принцип касается и трития, который производится при облучении лития нейтронами. Тритий слабо радиоактивен, с ним очень легко обходиться, для его изоляции достаточно контейнера с толстой стенкой почти из любого материала.
Второе преимущество термоядерной энергетики в том, что в результате реакции рождаются две частицы: нейтрон и альфа-частица с энергией 3,5 МэВ, которая остывает и становится холодным стабильным гелием. Нейтроны — радиоактивны. Но распространение этого излучения ограничено околоплазменным пространством. Поэтому на ИТЭР абсолютно исключена авария, при которой может произойти радиоактивное заражение местности, в отличие от, к сожалению, имевших место катаклизмов на атомных электростанциях.
– Экологичность — налицо, а как обстоит дело с эффективностью? Когда можно будет, к примеру, освещать улицы благодаря работе термоядерного реактора?
– Сегодня мы только создаем систему, ее оптимизация и повышение эффективности — следующая цель после запуска и отладки. В 2025 году первую плазму получат из водорода, а эксперименты с дейтерий-тритиевой смесью начнутся через десять лет. Можно сравнить реактор с велосипедом: ученым, создавшим его, потребуется время, чтобы научиться ездить и достичь мастерства велогонщика.
Проектная величина термоядерной мощности ИТЭР (планируемая к 2035 году) — 500 МВт, а мощность, требуемая для нагрева плазмы, — 50—70 МВт. То есть выделяться энергии будет примерно в десять раз больше, чем тратиться. Но это лишь решение первой части проблемы. Вторая: преобразование энергии в удобную для человечества форму перед ИТЭР не ставится, его цель показать, что произвести термоядерную энергию в десять раз больше затраченной — технически выполнимо. Конечно, мы будем повышать эффективность, это возможно, поскольку источники топлива практически неисчерпаемы. На самом деле, уже после первого пуска ИТЭР будет производить столько тепла, что его вполне хватит для обогрева всего исследовательского центра Кадараш.
– Каков вклад России в процентном соотношении в стоимость всего проекта?
– Индия, Китай, Корея, Россия, США, Япония вносят каждая по 9,09 %, Европейский союз — 45,46 %. Научные результаты принадлежат всем странам в равной степени. 9/10 вложений в ИТЭР — это производство оборудования, компонентов, входящих в реактор. Россия делает 25 систем, две из них мы уже закончили и поставили в полном объеме. Это сверхпроводящие конструкции из ниобий-три-олова и ниобий-титана. Проводились сравнительные тесты, в результате которых выяснилось, что наши изделия лучше, чем у других партнеров. Сверхпроводники делает кооперация предприятий: Высокотехнологический НИИ неорганических материалов им. А.А. Бочвара, Топливная компания «ТВЭЛ» Госкорпорации «Росатом», Всероссийский научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт кабельной промышленности, Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт».
Одиннадцать из оставшихся 23 систем — диагностические. В их создании участвует НИЦ «Курчатовский институт», Троицкий институт инновационных термоядерных исследований, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, ИЯФ СО РАН, само домашнее агентство («Проектный центр ИТЭР» создает три диагностики), «УТС-Центр» несколько других организаций.
Еще Россия поставляет восемь гиротронов — систем для нагрева плазмы в области электронного циклотронного резонанса, также их можно применять для генерации электрического тока в плазме. Принцип их работы — в разогреве электронов высокочастотным излучением, которые затем отдают тепло всей остальной плазме. Изобретатель и лидер этого направления — Институт прикладной физики РАН (Нижний Новгород). Специалисты ИПФ РАН и АО «ГИКОМ» уже сделали первые три гиротрона. Их испытали, и они показали параметры выше требований ИТЭР.
– Какие системы делает ИЯФ СО РАН, кроме диагностических?
– Этот институт очень активно присоединился к проекту пять лет назад. Его основной вклад — производство порт-плагов. Как я уже говорил, вокруг плазмы метровая защита, а в ней есть порты в вакуумной камере — своеобразные окна, через которые диагностические системы «смотрят» на плазму и измеряют ее параметры. С одной стороны, окно позволяет получать информацию о температуре, плотности и других характеристиках плазмы, а с другой — через это отверстие летят нейтроны, поступает тепло, поэтому нужна защита. Порт-плаг, если переводить с английского дословно, — «пробка в порту». Ее функция — остановить поток частиц из плазмы, но при этом пропустить через себя каналы диагностических (например, высокочастотных) методов. Также сквозь эти окна можно вводить энергию в плазму для нагрева. Четыре таких порт-плага изготавливаются в ИЯФ СО РАН. Кроме того, институт участвует в создании вертикальной нейтронной камеры, диверторного монитора потока нейтронов, который позволяет оценить плотность и количество нейтронов, поступающих из плазмы. Специалисты ИЯФ СО РАН делают электронику для томсоновского рассеяния лазерного излучения, которое дает информацию о плотности и температуре электронов, — то есть в конечном итоге о температуре плазмы. Томсоновское рассеяние — один из сложнейших методов исследования плазмы: мы светим лазером, это излучение взаимодействует с плазмой, рассеивается, а затем, по спектру выходящего из плазмы излучения, можно определить плотность и температуру электронов.
Порт-плаги размещаются в патрубках — трубках, соединяющих внутреннюю тороидальную камеру с криостатом. Все верхние патрубки производятся под контролем НИИЭФА им. Д. В. Ефремова, этот же институт делает катушку ПФ1 для создания полоидального магнитного поля (с его помощью контролируют положение плазмы в камере). Российское предприятие АО «Криогенмаш» создает все установки для испытания порт-плагов.
– Соблюдается ли график строительства здания ИТЭР и сдачи систем странами-партнерами?
– Россия выполняет свои обязательства строго по графику. Генеральный директор ИТЭР Бернар Биго часто приводит нас в пример как в том, что касается качества работ, так и в своевременности выполнения обязательств перед проектом. Когда у вас есть настолько большая международная кооперация из 35 стран, очень важно делать вовремя свою часть, зачет производится всегда по последнему, поэтому нужно быть в голове колонны, чтобы вся вереница двигалась быстрее.
Отставание от запланированного графика действительно есть, но оно связано прежде всего с тем, что ИТЭР — абсолютно новая конструкция, и она постоянно совершенствуется. Когда строится стандартный объект, даже атомная электростанция, есть проект, согласно которому ее возводят: приходят рабочие и заливают бетон.
У нас другая ситуация: план строительства, конечно, есть, но он «живой»: по мере его реализации участники обнаруживают, что какую-то часть нужно улучшить, например одно из отверстий сделать другим. Если происходит постоянная модернизация, это значит, что строители простаивают и не льют бетон, в результате сооружение здания задержалось почти на десять лет. Еще один фактор отставания — то, что каждый элемент ИТЭР — вершина развития человеческой мысли. Когда весь комплекс состоит из таких пиков, которые подрастают с каждым годом (появляются новые открытия, технические решения), временные интервалы соблюсти очень трудно. Поэтому главная причина увеличения сроков, как это ни парадоксально, — постоянный прогресс.
Беседовала Надежда Дмитриева
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии