Синтез неминуем

Евгения Обухова
редактор отдела экономика и финансы журнала «Эксперт»
25 сентября 2017, 00:00

Проект строительства крупнейшего в мире экспериментального термоядерного реактора, несмотря на скепсис наблюдателей, набирает обороты

HTTPS://WWW.ITER.ORG/
На площадке, где строится ITER, работают почти две тысячи строителей и инженеров, а к 2018 году их число возрастет до трех тысяч

В 2018 году российский «Криогенмаш» начнет производство первого неядерного тестового стенда для международного термоядерного реактора ITER. Это очередной реальный шаг вперед для проекта, который только на стадии обсуждений провел около двадцати лет.

Сейчас на территории, где будет возведен крупнейший в мире токамак (термоядерный реактор), во французской глубинке, — масштабная стройка. На площадке сооружения ITER в 60 километрах от Марселя работает почти две тысячи человек — в основном строители и инженеры, а к 2018 году их число возрастет до трех тысяч. Ритмично стучит строительная техника, подъемные краны перемещают огромные плиты, вяжется арматура, заливается бетон. Готовится само здание, которое вместит собственно токамак — тороидальную (то есть имеющую форму бублика) камеру с магнитными катушками, которые будут удерживать плазму. В этой плазме, нагретой до сверхвысоких температур — 300 млн градусов (это в 15 раз выше температуры внутри Солнца) — и будет происходить термоядерный синтез.

ITER — сооружение действительно впечатляющее: и стоимостью, и сроками, и размерами. Прежде чем быть интегрированными в реактор, его компоненты будут подготовлены и предварительно собраны в здании площадью 6000 квадратных метров и высотой 60 метров. Четыре из шести кольцевидных магнитов (полоидальные магнитные катушки диаметром от 8 до 24 метров), за производство которых отвечает Европа, будут собраны как раз здесь — транспортировать их невозможно чисто физически. То же касается и криостата размером 30 на 30 метров (изолирующий вакуумный сосуд, который закрывает реактор), за изготовление которого отвечает Индия, — его собирают и сваривают на месте. Первая плазма должна быть получена в 2025 году.

Родом из СССР

Токамак — признанный во всем мире термин, родившийся еще в СССР, как и сама концепция термоядерного синтеза. Успешные опыты по управляемому термоядерному синтезу советские ученые проводили еще в 1950-х. А в мае 1977 года представители СССР выступили на сессии МАГАТЭ и призвали ученых других стран приступить к разработке и созданию совместной международной экспериментальной термоядерной электростанции — реактора ИНТОР. Это был первый опыт совместной международной работы над проблемой    управляемого термоядерного синтеза.

ITER, International Thermonuclear Experimental reactor, — следующая фаза международного сотрудничества. Этому проекту, инициированному в середине 1980-х, повезло больше. Концептуальный проект начали разрабатывать в 1988 году, технический — в 1992-м. Интересно, что в ITER стороны (а проект действительно реализуют всем миром — в нем участвуют ЕС, Россия, Япония, Южная Корея, Индия, Китай и США) вносят свой вклад разработками ученых и реальными элементами реактора. Для учета вложений каждой стороны была разработана специальная единица измерения — ITER Unit of Account, равная тысяче долларов США в ценах 1989 года. Подробно о технической стороне ITER и об этапах его реализации «Эксперт» писал два года назад (см. «Менеджмент искусственного солнца», № 10 за 2015 год).

Тогда в судьбе ITER произошло важное событие: гендиректором проекта стал французский физик-ядерщик Бернар Биго, сменивший на этом посту японца Осаму Мотодзиму. К тому моменту отношение к ITER становилось все более скептическим: шутка ли — из всех участников только Россия и Китай соблюдают график поставок, а затраты растут просто на глазах. Так, если в 2006 году ожидали, что ITER в целом обойдется в 5 млрд евро, то к 2015 году затраты приблизились к 15 млрд, и все понимали, что это не предел (Сейчас стоимость возведения ITER оценивается уже в 19 млрд евро.) При этом речь уже не шла о получении первой плазмы в 2016 году, как планировалось изначально, это могло произойти не ранее 2021-го, а начало постоянной работы установки смещалось ближе к 2030-му. Тем не менее сроки уже более или менее соблюдаются практически всеми участниками. «Назначение Биго на пост руководителя ITER ускорило процесс, — сказал “Эксперту” Анатолий Красильников, директор “ИТЭР-Центра”. — Он руководил всей ядерной отраслью Франции, у него европейская ментальность, что, конечно, помогает более эффективно выстраивать контакты между менеджментом ITER и разными бюрократическими службами. При Биго быстрее стали решаться управленческие вопросы, и проект заметно пошел вперед».

Главный редактор аналитического онлайн-журнала «Геоэнергетика.ru» Борис Марцинкевич напоминает, что уже в мае 2015-го, через пару месяцев после назначения Биго, состоялось полноценное подключение строительной площадки ITER к энергетической системе Франции, что позволило добиться главного — синхронизации всех строительных работ с изготовлением всех компонентов установки, которое ведется одновременно почти в трех десятках стран. Например, к моменту прибытия в Кадараш компонентов катушек полоидального поля для их сборки был уже готов «чистый» цех. Это значит, что новому руководству проекта удалось синхронизировать работу производителей, транспортных компаний, строителей и монтажников на самой площадке.

«При новом руководителе процесс стал более “честным” — больше нет раздачи обещаний, выполнение которых по тем или иным причинам переносится на новые даты, — говорит Марцинкевич. — В ноябре 2015 года состоялось заседание наблюдательного совета проекта, на котором, после подведения итогов всей предыдущей работы, была названа новая дата пуска проекта. Пуск еще раз отложен, на этот раз сразу на шесть лет, до 2025 года. Но не только такие грустные итоги были результатом этого заседания, произошло и нечто новое. Был утвержден график работы на ближайшие два года — необычно жесткий и точный. Кроме того, была создана независимая группа анализа деятельности ITER, цель которой — выработка мер по снижению затрат и обеспечению ускорения строительства. Как следствие, на строительной площадке постепенно увеличивается количество рабочих, организация труда которых позволяет вести работы на всех строящихся сооружениях одновременно. Это, в свою очередь, позволяет руководству проекта налаживать и более слаженную работу всех изготовителей оборудования, так что Биго, пусть и не так стремительно, как хотелось бы, но действительно ускоряет все процессы. В июле этого года были смонтированы и испытаны краны сборочного цеха ITER, что обеспечит возможность монтажа особо крупного оборудования в четком соответствии с графиком работ».

Ответ на вопрос, почему ITER строится так долго, прост: это крайне сложное и большое сооружение. Вот первый попавшийся пример масштаба этого проекта — инновационные сверхпроводники. Сейчас восьмилетняя кампания по производству 2800 тонн (!) сверхпроводников для мощных магнитных систем ITER находится на финальной стадии, это крупнейшие закупки сверхпроводников в истории, и для их производства шести странам пришлось разработать новаторский подход в материаловедении. Одни только эти сверхпроводники для ITER обошлись в 160 млн евро.

«ITER уже состоялся как проект, точку невозврата мы давно прошли, — говорит Анатолий Красильников. — Что касается того, почему так долго запрягали, то следует отметить, что строительство первого в мире экспериментального термоядерного реактора такого размера должно занимать много времени. Взять хотя бы здание, где будет располагаться токамак: по нему долго согласовывали чертежи, планировали. Это уникальный объект. И хотя всегда можно что-то усовершенствовать, на каком-то этапе требовалось просто остановиться и начать делать тот проект, который уже есть. Это и произошло: сейчас все этажи основного здания заморожены, и это означает, что в чертежи запрещено вносить изменения. Поэтому строители — а работают там обычные строители — спокойно льют бетон и монтируют конструкции».

В целом же в ITER в силу самого характера токамака крайне важно сделать все правильно с самого начала. Хотя токамаки уже строились множеством стран, такого большого еще не было — и ученые до конца не знают, как поведет себя разогретая плазма. Поэтому все оборудование делается с дополнительным запасом прочности.

Весомые плюсы тяжелой воды

Управляемый термоядерный синтез уже несколько десятилетий считается самой перспективной технологией для энергетики. Суть его в том, что два легких атомных ядра объединяются, образуют более тяжелое ядро и выделяют энергию. Наиболее осуществимая термоядерная реакция — слияние ядер дейтерия и трития (изотопов водорода). Собственно, под термоядерным топливом обычно подразумевают дейтериево-тритиевую или дейтериево-гелиевую смесь.

Термоядерный синтез не дает покоя ученым и энергетикам по двум причинам. Во-первых, запасы термоядерного топлива на Земле поистине безграничны, ведь его источник — водород, которого на нашей планете в избытке в различных соединениях, начиная с обыкновенной воды. Во-вторых, эффективность термоядерного синтеза очень сильно превосходит эффективность сжигания традиционного топлива. Один грамм топлива для термоядерного синтеза дает энергию, эквивалентную той, что получится от сжигания восьми тонн нефти. Или так: количество дейтерия, которое содержится в одном литре воды, даст столько же энергии, сколько сжигание 160 литров бензина.

А вот дальше начинаются сложности. Добиться собственно синтеза не так уж просто — для этого дейтериево-тритиевая смесь должна быть нагрета до 300 млн °С, то есть превратиться в сверхгорячую плазму. Понятно, что ни один металл не выдержит таких температур — вот тут и нужна собственно тороидальная магнитная камера, или токамак. В нем горячая плазма будет находиться внутри сильного магнитного поля. В свою очередь, магнитная установка помещена в вакуумную камеру.

В первом контуре токамака ITER кинетическая энергия термоядерных нейтронов будет преобразовываться в тепловую энергию теплоносителя.

В теплообменнике разогревается теплоноситель (вода) второго контура и генерируется пар. И наконец, в турбинном генераторе уже производится электроэнергия.

Из крупнейших токамаков, начавших работать в начале 1980-х, два были сконструированы как раз для дейтериево-тритиевых операций: европейский JET и американский TFTR. Оба получили по несколько мегаватт термоядерной энергии, однако на сам ее синтез ушло больше, чем было получено.

«У токамака TFTR, построенного в Нью-Джерси, отношение термоядерной мощности к мощности создания и нагрева плазмы составляло 25 процентов, у английского токамака JET — 67 процентов, — напоминает Анатолий Красильников. — Эти результаты были получены соответственно в 1996 и 1997 годах. В начале 2000-х Япония активно вела эксперименты на токамаке JT-60U — но там использовалась только дейтериевая плазма. Достижение JT-60U соотношения термоядерной мощности и мощности создания и нагрева плазмы 105 процентов — пересчетное, то есть сделанное в пересчете на то, как если бы в токамаке была дейтериево-тритиевая плазма». В ITER соотношение термоядерной мощности и мощности создания и нагрева плазмы будет достигать, как ожидается, 1000% — то есть термоядерный синтез даст в десять раз больше энергии, чем будет затрачено для его запуска.

Попутно остальные страны пытаются развивать собственные термоядерные программы, которые иногда называют конкурентами ITER. Так, в японской Наке строится усовершенствованный реактор JT-60SA — считается, что его работа будет привязана к работе ITER, однако свои цели у японцев тоже есть, например достичь в реальности того соотношения 105%, о котором они уже заявили. Свой токамак есть у китайцев — правда, на EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak) не будет термоядерной реакции с тритием, но эксперименты с плазмой успешно проводятся, и в планах у китайцев «настоящий» токамак CFETR (China Fusion Engineering Test Reactor), первые эксперименты на котором планируется начать в 2030 году. Наконец, строятся частные токамаки — среди их разработчиков Tokamak Energy и Lockheed Martin, которая разрабатывает компактный реактор термоядерного синтеза (CFR). Проект Lockheed Martin замахивается на то, чтобы оснастить термоядерными реакторами относительно небольшие устройства — от межпланетных кораблей до коммерческих судов. Прототип ожидается к 2020 году, и тогда же можно будет говорить, удастся ли Lockheed Martin сделать что-то, в десять раз превосходящее ITER по коэффициенту отдачи.

Как устроен токамак 36-02.jpg
Как устроен токамак

Не только синтез

Только текущие заказы, которые сейчас в разных уголках планеты производятся для нужд ITER, оцениваются в 8 млрд евро. Каждая страна отвечает за свой участок работ. Собственно, участие в ITER не просто репутационная вещь и не только коммерческий проект (российские предприятия изготавливают элементы для токамака по заказу «Росатома»). Страна, наука и предприятия которой работают на проект, оказывается на переднем крае технологий, и эффект, оказываемый участием в ITER на промышленность этих стран, еще только предстоит оценить. Вот только некоторые примеры того, чему пришлось научиться предприятиям, работающим на ITER: производить действительно гигантские стальные детали высотой до 17 метров и весом несколько сотен тонн — с геометрическими допусками в миллиметры; создавать сверхпроводящие линии электропередачи, которые будут работать при температуре до –270 °С; изготавливать плазменные компоненты, способные выдерживать тепловой поток до 20 мВт на квадратный метр, и т. д.

В соответствии с соглашением о сооружении ITER все участники проекта имеют право на безвозмездное использование любой технологии, созданной в процессе сооружения ITER, для нужд внутренних термоядерных программ. Для коммерческого использования условия уже, конечно, другие.

Анатолий Красильников приводит такие примеры влияния работы над ITER на российскую промышленность: «В городе Глазове мы воссоздали производство сверхпроводников, утраченное в постсоветское время, так как во времена СССР завод располагался в казахском Усть-Каменогорске. Сейчас мы все томографы закупаем за рубежом — с появлением в стране собственного производства сверхпроводников мы получили возможность наладить производство томографов у нас. Другой пример — изготовление жаростойких материалов и конструкций. В ITER мы делаем 40 процентов передней стенки токамака — стенки, которая “смотрит” на плазму (а плазма, напомню, достигает температуры 300 миллионов градусов). Эти наработки будут использоваться для космических аппаратов. Еще пример — детекторы ионизирующего излучения из натурального и синтетического алмаза: они могут применяться в оборудовании для лучевой терапии». Всего технологии, разработанные для ITER, могут использоваться более чем в 30 отраслях народного хозяйства, добавляет руководитель «ИТЭР-Центра».

Есть и менее очевидные, но не менее важные плюсы для предприятий-участников: так, в «Криогенмаше» объясняют, что, работая для ITER, конструкторы и технологи получают уникальный опыт и повышают свой профессиональный уровень, поскольку для работы над проектом им приходится осваивать самые современные программы (Enovia для 3D-моделирования, See Electrical Expert для разработки электрических и функциональных систем, MCS Patran/Nastran для расчетов на прочность).

В России компоненты для токамака производят более 30 предприятий, причем многие из них активно участвуют еще с момента его проектирования. Петербургский НИИ электрофизической аппаратуры им. Д. В. Ефремова изготовил модельные магнитные катушки из сверхпроводников. Тот же НИИЭФА и НПЦ «Эхо+» разработали и изготовили дистанционную робототехническую систему неразрушающего контроля сварных швов вакуумной камеры и бланкета.

Кто что делает 36-03.jpg
Кто что делает

Космос внутри реактора

Сейчас на подходе тестовая вакуумная камера для порт-плагов от «Криогенмаша» (входит в группу ОМЗ). Российский производитель оборудования для разделения воздуха и работы с техническими газами разработал два типа уникальных стендов — ядерные и неядерные, с системой погрузки-разгрузки. Для российской стороны это один из наиболее крупных проектов для ITER по научным изысканиям и металлотоннажу.

Сами порт-плаги представляют собой наборы диагностического оборудования в специальных кассетах. Это оборудование будет собирать информацию о том, что же происходит внутри токамака во время синтеза, — порт-плаги будут иметь доступ к плазме через, условно говоря, специальные отверстия (порты) в вакуумной камере и магнитной установке. Информация обо всем, что происходит в токамаке, — основная цель всего ITER, поэтому от того, как будут работать порт-плаги, зависит очень многое. «Когда запустится синтез, изменить ничего уже будет нельзя», — объясняет Виктор Удинцев, руководитель департамента диагностики Международной организации ИТЭР. Порт-плаги поистине международное детище: всего в токамаке будет работать 46 порт-плагов, в их разработке участвуют почти все страны. По этой же причине этапу исследования и тестирования уделяется огромное внимание. Самое сложное — учесть все факторы, которые будут воздействовать на оборудование, еще на стадии дизайна.

Собственно, вакуумные стенды, которые изготовит «Криогенмаш», и представляют собой тестовые камеры, где будут испытываться все 46 порт-плагов, диверторные кассеты и другие компоненты, находящиеся в вакууме токамака.

Сейчас Международная организация ИТЭР согласовала финальный дизайн неядерных вакуумных стендов 3 и 4 — это означает, что теперь можно приступать к их испытательному производству, а потом и собственно к производству уже в рабочей версии. Одновременно «Криогенмаш» разрабатывает финальный дизайн ядерных вакуумных стендов 1 и 2, а также системы контроля и управления. Кроме того, «Криогенмаш» делает имитаторы порт-плагов (за сами порт-плаги отвечают другие страны — участники проекта), чтобы провести полноценные испытания всего функционала своих вакуумных камер. Испытания проходят в несколько этапов — вакуумная камера должна быть абсолютно герметичной, фактически это настоящие космические технологии.

Готовясь к производству, «Криогенмаш» имитировал условия, в которых будут работать порт-плаги. Причем если в космосе вакуум характеризуется показателем 10–4 Па, то для испытания специалисты российского предприятия создают вакуум с характеристикой 10–6 Па — условия чуть сложнее, чем будет в токамаке. Это уже называется сверхвакуум.

В июне 2016 года произошло важное для проекта событие: «Криогенмаш» согласовал финальный дизайн неядерных стендов, и 2018 год отмечен в плане как год готовности к производству. «Это должно означать, что мы купили все материалы и комплектующие, провели сертификацию специалистов производства по европейским нормам, согласовали все процедуры изготовления и контроля изготовления с ITER и можем начинать собственно производство, — говорит Олеся Соловьева, руководитель проекта ITER “Криогенмаша”, — Само производство неядерных стендов продлится до 2022 года, а первый неядерный стенд будет поставлен в Кадараш летом 2021-го».

 

Экс-ан-Прованс - Москва