Термоядерное будущее
Реактор ИТЭР называют энергетическим будущим человечества и символом международного научного сотрудничества.
«Мы рады, что никакая международная напряжённость не может помешать нам выполнять нашу главную задачу: реализовать самый масштабный исследовательский проект современности», — заявил по итогам заседания Совета директор Проектного центра ИТЭР (Россия) Анатолий Красильников.
ITER на территории Франции строят практически всем миром: участвуют Евросоюз, Швейцария, Китай, Индия, Япония, Южная Корея, Россия и США. Соглашение о сооружении установки было подписано в 2006 году. Объединенная Европа вносит 45% от стоимости сооружения установки, остальные страны, включая Россию, — по 9%.
Это будет первая крупномасштабная попытка использовать для получения электроэнергии термоядерную реакцию, подобную той, что происходит на Солнце.
Научная работа должна принести вполне практические плоды, и к концу века мир ожидает появления первого прототипа коммерческой термоядерной электростанции.
Еще в самом начале проекта партнеры договорились о том, кто и что будет поставлять на площадку. Это должна быть не просто кооперация в инжиниринге, а возможность для каждого участника получить новые технологии, чтобы в будущем развивать их у себя самостоятельно. Наработанные в ходе строительства и последующей эксплуатации реактора ИТЭР технологии в перспективе будут использованы для создания прототипа термоядерного реактора в России.
Отечественным специалистам поручено производство 25 уникальных систем будущей установки, которые производятся в более чем 30 ведущих научно-технических учреждениях, предприятия и технологических центрах во многих городах страны. Несмотря на санкции, Россия в полном объеме выполняет обязательства по поставкам оборудования для реализации проекта ИТЭР. Осенью 2022 года во Францию из России было отправлено ключевое оборудование для стройки реактора — 200-тонная катушка полоидального поля отечественного производства PF-1, предназначенная для запуска и дальнейшего поддержания термоядерного синтеза. Девятиметровая PF-1 — одна из шести катушек, которые должны будут поддерживать термоядерную реакцию и удерживать плазму внутри реактора в заданном диапазоне. За изготовление еще одной такой катушки ответственны китайские специалисты, остальные четыре катушки более крупного размера создадут во Франции.
После успешной эксплуатации ITER в течение нескольких десятилетий и отработки всех необходимых технологий специалисты приступят к созданию первой промышленной термоядерной электростанции. Конечно, такие электростанции прежде всего будут построены в странах — участниках проекта, в том числе, в России.
Фото: ITER
Бесконечная энергия
Человечество находится в активном поиске новых источников энергии, экологически чистых, безопасных, обладающих практически бесконечной топливной базой.
В середине ХХ века ведущие физики из разных стран обратились к источнику жизни на Земле — Солнцу, в недрах которого при температуре около 20 миллионов градусов протекают реакции синтеза (слияния) легких элементов с выделением колоссальной энергии. В 1950-х годах СССР и США практически одновременно начали работы по развитию технологий управляемого термоядерного синтеза (УТС).
На заре атомной эры главной задачей развития УТС было исследование физических процессов в горячей плазме, знание которых считалось необходимым для создания термоядерного оружия. Стоит различать термоядерные реакторы и ядерные. Если в ядерных реакторах происходит деление тяжелых частиц на более легкие, с выделением энергии, то в термоядерных реакторах более легкие частицы — изотопы водорода дейтерий и тритий, сливаются в более тяжелые частицы, с выделением нейтронов и энергии.
Забавный факт хранит история советского термоядерного проекта. В 1950 году сержант советской армии Олег Лаврентьев направил в ЦК ВКП (б) письмо, в котором выдвинул идею электростатического удержания горячей плазмы для осуществления управляемого термоядерного синтеза. Лаврентьев был абсолютным самородком и самоучкой, но его предложение по созданию такой «ловушки» из магнитного поля, в которой высокотемпературная плазма температурой в сотни миллионов градусов эффективно удерживается, произвело впечатление на выдающихся физиков Игоря Тамма и Андрея Сахарова. Будущий творец водородной бомбы Сахаров в своем отзыве написал, что «считает необходимым детальное обсуждение проекта товарища Лаврентьева». К октябрю 1950 года Сахаров и Тамм сделали первые оценки перспектив создания магнитного термоядерного реактора и предложили для этих целей концепцию установки ТОКАМАК («Тороидальная Камера с Магнитными Катушками») суть которой — в удержании горячей плазмы в тороидальной камере с сильным продольным магнитным полем. Центром развития УТС стала Лаборатория измерительных приборов АН СССР (ЛИПАН), будущий Курчатовский институт.
Первая тороидальная установка с сильным продольным магнитным полем, основанная на идеях Тамма и Сахарова, была построена в ЛИПАНе в 1955 году. Ее назвали ТМП — тор с магнитным полем. Последующие установки уже получили имя ТОКАМАК. В своем классическом варианте токамак представляет собой камеру в виде бублика, помещенную в тороидальное магнитное поле. В камере создается электрическое поле, приводящее к образованию плазмы. В свою очередь в плазме возникает продольный ток. Комбинация магнитного поля этого тока и тороидального магнитного поля создает условия для удержания и термоизоляции плазмы. Ток в плазме выполняет и другую важную роль — он осуществляет начальный нагрев плазмы, как любого проводника. Однако этот способ нагрева плазмы позволяет поднять ее температуру лишь до 20-25 млн градусов. Поэтому установку снабжают системами дополнительного нагрева плазмы до термоядерных температур.
С 1955 по 1966 годы в Курчатовском институте было построено восемь таких установок, на которых проводилось множество различных исследований.
Если до 1969 года вне СССР был построен токамак только в Австралии, то в последующие годы их возвели в 29 странах, включая США, Японию, страны Европы, Индию, Китай, Канаду, Ливию, Египет. Всего в мире до настоящего времени было построено около 300 токамаков, в том числе 31 в СССР и России, 30 в США, 32 в Европе и 27 в Японии. Фактически три государства — СССР, Великобритания и США вступили в негласное соревнование, кто первым сумеет обуздать плазму и начнет производство энергии «из воды», ибо считается, что запасы дейтерия в океанах, омывающих сушу, практически неисчерпаемы. Однако еще один необходимый топливный компонент термоядерного реактора — тритий, на Земле практически отсутствует. В то же время существуют технологии получения трития с помощью облучения нейтронами лития-6. Гипотетически это позволяет говорить о том, что термоядерная энергетика может быть обеспечена топливом на тысячелетия вперед.
Важнейший плюс термоядерного реактора — снижение радиационной биологической опасности примерно в тысячу раз в сравнении со всеми современными атомными энергореакторами. Термоядерный реактор не выбрасывает СО2, не нарабатывает «тяжелые» радиоактивные отходы. Ему присуща так называемся внутренняя безопасность — при любом существенном повреждении реактора плазма просто исчезает.
Фото: ITER
В 1985 г. академик Евгений Велихов от имени СССР предложил ученым Европы, США и Японии вместе создать термоядерный реактор. Партнеры в свою очередь выдвинули предложение о том, каким образом осуществлять такую деятельность.
1986 г. в Женеве было достигнуто соглашение о проектировании научной установки, получившей в дальнейшем имя International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). В 1992 г. партнеры подписали четырехстороннее соглашение о разработке инженерного проекта реактора. 28 июня 2005 г. было окончательно выбрано место для возведения колоссальной установки класса «мегасайенс» — окрестности города Кадараш на юге Франции.
В 2011 г. проект «перешел Рубикон» и на площадке началось строительство. Вклад отечественных ученых переоценить невозможно. Схема ИТЭРа повторяет классический российский токамак. Новым в проекте является наличие дивертора, предназначенного для очистки плазмы от примесей, вытянутое по вертикали поперечное сечение плазмы и использование сверхпроводников для создания магнитных полей в реакторе. Планируется, что на первом этапе реактор будет работать в импульсном режиме при мощности термоядерных реакций 400-500 МВт, на втором этапе будет отрабатываться режим непрерывной работы, а также система воспроизводства трития.
Уже сегодня можно видеть эффект от участия отечественных научных центров и производственных предприятий в стройке.
Во-первых, благодаря ITER Россия остается в авангарде технологических разработок в области термоядерного синтеза. Мы производим и поставляем уникальное оборудование для реактора, а это — новые высококвалифицированные рабочие места в стране.
Во-вторых, участие в масштабном международном проекте позволяет России укреплять свои позиции на мировой арене, а также развивать сотрудничество с другими странами и международными научными сообществами.
В-третьих, инвестиции в разработку термоядерной энергетики приведут в долгосрочной перспективе к обеспечению нашей страны новым, экологически чистым и эффективным источником энергии. Планируется, что первая промышленная термоядерная электростанция, следствие успешной работы ITER, появится на планете в начале следующего века.
