Термоядерное будущее
Как Россия создает «второе солнце» — источник бесконечной энергии
Трудно представить, как изменится мир, когда человечество впервые в своей истории получит доступ к неограниченному источнику энергии — термоядерному синтезу. Все развитие цивилизации с древних времен — это борьба за огонь, и вот наконец эта борьба окончена. Так восторженно писали мировые газеты полвека назад после первых в СССР успешных экспериментов по зажиганию плазмы. Тогда казалось, что до осуществления мечты остался один шаг, но к концу ХХ века стало ясно, что для освоения технологии такого уровня нужно объединять усилия ученых и инженеров всего мира. Так появился проект ИТЭР. И сегодня мы являемся свидетелями новой попытки подступиться к этой высокой мечте и получить неограниченный и чистый источник энергии. Во Франции при активном участии России готовится к запуску экспериментальный термоядерный реактор, который вобрал в себя все последние достижения мировой науки и техники. О проекте рассказали специалист по информационным связям Российского агентства ИТЭР Александр Петров и заместитель директора Проектного центра ИТЭР Леонид Химченко.
«Лента.ру»: Что такое ИТЭР и зачем он нужен?
АП: Принципиальное отличие ИТЭР от уже существующих исследовательских реакторов заключается в том, что на выходе он должен дать в десять раз больше энергии, чем тратится на поддержание горения плазмы. То есть он должен дать положительный выход — продемонстрировать возможность того, что на выходе мы можем получать больше энергии, чем вкладываем в образование и поддержание этой самой термоядерной реакции. Это его принципиальное отличие от существующих сегодня исследовательских установок.
Для нашей страны проект имеет особое значение. Во-первых, в основе ИТЭР лежит установка токамак — тороидальная камера с магнитными катушками. В 1950-х годах первая в мире установка такого типа была построена в СССР под руководством академиков Игоря Тамма и Андрея Сахарова, а впоследствии получила развитие при участии выдающихся ученых Льва Арцимовича, Дмитрия Шафранова, Евгения Велихова и других — целая плеяда выдающихся исследователей вложила в это свои знания и навыки.
Второе. Проект по созданию такого реактора настолько сложный, дорогой и ресурсозатратный, что ни одна страна, на каком бы уровне научного и технологического развития она ни находилась, в одиночку не была способна тогда создать подобный реактор. Поэтому у международного сообщества возникло четкое понимание, что нужно действовать сообща. Инициатором подобного проекта был академик Евгений Велихов, который в 1985 году предложил эту идею Михаилу Горбачеву. Горбачев обсудил ее с президентом Франции Франсуа Миттераном и президентом США Рональдом Рейганом. Оба идею горячо поддержали, что дало старт началу работ по этому международному проекту.
Если сравнивать ИТЭР с двумя другими крупными международными проектами — Международной космической станцией (МКС) и Большим адронным коллайдером (БАК), —термоядерный реактор по финансированию примерно между ними (МКС дороже, а БАК — дешевле)?
АП: Стоимость проекта ИТЭР оценивается примерно в 20 миллиардов евро. При этом уникальность его заключается в конфигурации международного сотрудничества. Основной вклад стран-участниц — не в денежной форме (хотя он тоже существует), а в виде создания и поставок высокотехнологичного оборудования, то есть систем реактора.
Например, Россия вносит 9,09 процента от стоимости реактора в виде высокотехнологических систем. Это 25 систем.
Какие страны участвуют в проекте?
АП: Это семь сторон — Китай, Евросоюз, Индия, Япония, Южная Корея, Россия и США.
Соединенные Штаты не планируют выйти из этого проекта?
АП: Такие заявления действительно были, и трудности [с проектом] у Соединенных Штатов были, они даже один раз из проекта выходили, но потом вернулись. Пока США продолжают участвовать в проекте и поставлять оборудование. Мы с оптимизмом смотрим на американское участие в ИТЭР, несмотря на периодически появляющиеся слухи об их возможном выходе из проекта.
ЛХ: Я бы обобщил: каждая сторона заинтересована в успехе проекта. И особенно США, в силу их желания быть лидерами в мире. Для ИТЭР создаются уникальные технологические системы, которые являются универсальными для всех термоядерных установок. В Европе больше плазменных установок, которые работают на ИТЭР, чем в США. Китай, Япония и Корея построили современные токамаки и сформировали коллективы исследователей, которые нацелены на создание своего проекта термоядерного реактора. Поэтому благодаря многостороннему общению каждая страна находится на передовом крае знаний и технологий.
В России остались активно действующие термоядерные реакторы?
ЛХ: Что касается магнитного удержания плазмы, в Курчатовском институте построена установка — токамак Т-15МД. В ТРИНИТИ, в рамках национального проекта, создается крупнейший для России токамак — ТРТ (токамак с реакторными технологиями), в Санкт-Петербурге традиционно развивается направление токамака с низким аспектным отношением. В Новосибирске изучают открытые ловушки для создания термоядерного реактора на их основе.
Наряду с токамаком существует альтернативная схема устройства термоядерного реактора — стелларатор. Самая современная такая установка работает в Германии. В чем преимущества и недостатки стелларатора перед токамаком?
ЛХ: Токамак — магнитная ловушка с током по плазме, стелларатор — бестоковая магнитная ловушка. Основной недостаток — сложная магнитная конфигурация с прецизионным расположением проводников с токами, создающими магнитное поле для удержания плазмы, которая рассчитывается мощными компьютерными графическими программами.
Принципиальное отличие стелларатора от токамака заключается в том, что магнитное поле для изоляции плазмы от внутренних стенок тороидальной камеры полностью создается внешними катушками, в то время как в токамаке полоидальные поля создаются током, текущим по плазме, что, помимо прочего, позволяет использовать стелларатор в непрерывном режиме.
Его силовые линии так же, как в токамаке, подвергаются вращательному преобразованию, в результате которого эти линии многократно обходят вдоль тора и образуют систему замкнутых вложенных друг в друга тороидальных магнитных поверхностей.
Говоря осторожно, время покажет, какая из магнитных ловушек приведет к термоядерной электростанции. Но токамак пока впереди.
Расскажите о вкладе России в проект ИТЭР.
ЛХ: Может быть, я повторюсь, но напомню, что основы этого проекта заложены у нас. Токамак — это идея Сахарова и Тамма. Арцимович и Шафранов ввели вытянутое сечение и полоидальный дивертор. Такая конфигурация стала основой всех токамаков в мире. И ИТЭР тоже. В 80-е годы мы первые сделали токамак со сверхпроводящими обмотками магнитного поля. Велихов предложил мировым лидерам построить совместный термоядерный реактор. Наиболее технологически развитые страны приняли это предложение.
Россия достойно выполняет свои обязательства. Один проект завершен — создание сверхпроводников для катушек тороидального и полоидального поля. Для этого в России создали с нуля промышленность сверхпроводников, которые к тому же по результатам тестирования параметров оказались лучшими в мире.
Россия является лидером в мире по параметрам СВЧ-генераторов большой мощности — гиротронов, используемых для нагрева плазмы и создания токов увлечения.
Россия является признанным лидером в инженерных проблемах снятия тепловой нагрузки с сильно нагретых поверхностей. Поэтому России отдали 40 процентов первой стенки с самыми жесткими тепловыми нагрузками и испытания большими тепловыми потоками.
Мы полностью создаем систему подвода и коммутацию энергии к ИТЭР, включая и аварийное отключение. Изготавливаем все верхние патрубки вакуумной камеры ИТЭР и сверхпроводящую катушку полоидального поля — PF-1 (Poloidal Field-1 — прим. «Ленты.ру»).
Российские ученые традиционно высоко котируются, поэтому российские организации взяли наибольшее число наукоемких диагностик, понимая, что в будущем это даст возможность интегрировать наших специалистов во все системы ИТЭР.
Какие работы на ИТЭР уже сделаны сейчас и что еще планируется сделать до его запуска? И когда это произойдет?
АП: Получение первой плазмы на ИТЭР запланировано на декабрь 2025 года. Мы не можем исключить, что в связи с последними событиями [пандемией коронавирусной инфекции] могут произойти какие-то задержки, но пока мы оптимистично смотрим в отношении того, что эти задержки мы сможем преодолеть. В настоящее время около 70 процентов работ на пути получения первой плазмы на ИТЭР уже завершены.
Что это значит? Во-первых, достроены практически все здания на площадке ИТЭР на юге Франции. Практически изготовлена вся необходимая инфраструктура. Сейчас проект переходит от стадии сооружения зданий, инфраструктуры и так далее к стадии сборки самого реактора.
Для этого из стран-участниц активно поступают компоненты в международную организацию. Россия в этом году уже сделала несколько поставок, в частности, верхних патрубков и электротехнического оборудования. Мы уже готовы поставить первую пару гиротронов — пока поставка запланирована на середину следующего года. Как я уже сказал, мы завершаем изготовление одной из шести катушек полоидального поля. Всего будет шесть катушек полоидального поля, одна изготовлена в Китае; четыре производятся непосредственно на месте, во Франции; катушка PF-1 изготавливается в Санкт-Петербурге.
Все работы по ее изготовлению идут по графику, так что Россия, даже несмотря на все трудности, которые возникли в связи с пандемией и прочими моментами, в срок исполняет свои обязательства в рамках международного проекта.
ЛХ: Построены основные здания и большая часть инфраструктуры термоядерного реактора. Начались поставки основных компонентов для сборки собственно токамака. В частности, на площадку сборки привезли катушки тороидального поля из Японии и Европейского союза и катушку полоидального поля из Китая. Корея поставила первый сектор вакуумной камеры. Россия изготавливает все шинопроводы для подвода энергии к токамаку и оборудование аварийного отключения энергии. Американцы провели успешные испытания центрального соленоида токамака и начинают поставки на площадку сбора. Индия собрала нижнюю часть криостата, которую уже поместили в шахту для начала сборки ИТЭР. Заключены контракты с крупными итальянским и китайским консорциумами на сборку ИТЭР.
Несколько лет назад началось создание очень сложной инфраструктуры по подводу к токамаку энергии, воды и жидких газов для охлаждения, а также системы управления токамаком и его безопасной работой. Все это делается параллельно и иногда с минимальным проектированием, чтобы экономить время. Поэтому сейчас задача — закончить начатое в срок, в соответствии с графиком.
Хочу напомнить, что проект уникальный с физической и инженерной точки зрения. Но основная сложность проекта — в системе управления. Каждая сторона-участница на свои средства изготавливает оборудование, которого гораздо больше, чем описано выше. И если у стороны-участницы появляются финансовые или технологические проблемы, замедляется весь проект. Но в последние годы центральная команда ИТЭР ищет оптимальные решения в системе управления и подстраивает это под график сооружения ИТЭР.
Нередко можно услышать, что строительство электростанции на основе термоядерного реактора является инженерной, а не научной задачей, то есть, проще говоря, не является какой-то серьезной проблемой с точки зрения фундаментальной науки. С какими трудностями сталкиваются специалисты при строительстве ИТЭР?
АП: На самом деле науки в реализации проекта ИТЭР очень много. Более того, многие инженерные и технические решения приходилось менять в соответствии с текущими экспериментами на крупных термоядерных исследовательских установках, которые проводятся во всем мире. В частности, это обусловило некоторый сдвиг по срокам и удорожание [проекта].
Здесь, как я люблю говорить, наука подбрасывает сюрпризы. То есть мы рассчитываем на одно техническое решение, а текущие эксперименты показывают, что нужно искать иное решение. Как правило, иное означает более сложное, более дорогое, более наукоемкое. Таких примеров было много, что подтверждает: научная составляющая в эксперименте играет огромную роль. Конечно же, нельзя умалять заслуги инженеров и техников, но именно наука во многом определяет конфигурацию международного проекта.
ЛХ: Скажу сразу: утверждение неверное. ИТЭР строится как последняя физическая установка, призванная решить главную фундаментальную проблему: можно ли организовать самоподдерживающую дейтерий-тритиевую реакцию с нагревом альфа-частицами плазмы токамака? Есть другая фундаментальная проблема: какова будет эрозия поверхностей, контактирующих с плазмой?
Тепловые потоки плазмы настолько велики, что в определенных условиях поверхность вольфрамовых пластин будет испаряться с переосаждением в виде рыхлой (фрактальной) пленки, свойства которой уникальны. Знание этих свойств может дать новый толчок в технологическом развитии.
Проблем, которые заставляют «переобуваться на ходу», много. Например, в научном плане: несколько лет назад все крупные установки мира подтвердили новое явление — при организации улучшенного удержания в центре плазменного шнура его периферия становится неустойчивой, и энергия, заключенная в этом слое, на стенку выбрасывается за очень короткое время — так называемый ELM (Edge Localized Mode). До подтверждения этого явления тепловая нагрузка на первую стенку по первоначальному проекту составляла 0,5 мегаватта на квадратный метр. После тепловую нагрузку пришлось поднять до 5 мегаватт на квадратный метр, что создало большую проблему съема тепла.
По инженерным системам в проекте изначально были заложены предельные требования по величине параметров и качеству изготовления, учитывая, что мы идем в неизведанное и должен быть «запас прочности». При этом зачастую одну и ту же систему делают страны с различным технологическим и научным уровнем и стандартами производства. Поэтому иногда решение о переделке некоторых систем принимается «с колес». Процедура создания систем устроена так, что после каждого этапа изготовления необходимо остановиться и сдать этот этап специалистам ИТЭР. А это аналогично так называемой военной приемке.
Насколько экономически оправданным является использование термоядерной энергетики по сравнению с зеленой?
ЛХ: Основной недостаток зеленой энергетики — распределенная по территории мощность и колебания мощности во времени. Сложности с накоплением энергии. Появились исследования об отрицательном воздействии этой энергетики на среду. Такой энергетике сложно обеспечить электрическую мощность для промышленности. Поэтому такие страны, как Франция, развивают атомную энергетику.
В так называемом чистом варианте при сохранении высокой удельной мощности термоядерная энергетика гораздо безопаснее атомной, при том что топливо — дейтерий — добывается из воды, а тритий нарабатывается в самом термоядерном реакторе.
В гибридном, так называемом грязном варианте, термоядерный реактор можно использовать для трансмутации отходов переработки ядерного топлива. Один реактор может обеспечить дешевым топливом 3-4 ядерных реактора. Уже при достигнутых параметрах современных токамаков возможно построение экономически выгодной ядерной энергетики с использованием термоядерного реактора.
АП: Давайте начнем с топлива. Мы все прекрасно понимаем, что ветряки, гидроэнергетика и солнечные батареи в значительной степени зависят от геолокации. Правильно? То есть я имею в виду то, что нельзя построить ветряки там, где нет ветра, нельзя установить солнечные батареи там, где нет солнца, и так далее. То есть мы берем то, что дает природа, и там, где она дает.
Про ядерную энергетику (при всех ее очевидных преимуществах и незаменимости на сегодняшний день) понятно: это огромное количество ядерного топлива, дороговизна самого топлива, вопросы отходов, утилизации и прочие моменты, которые мы все прекрасно понимаем.
Топливом для термоядерной реакции, планируемой на ИТЭР, являются два элемента — это дейтерий и тритий. Это изотопы водорода. Каждая шеститысячная молекула Мирового океана — это дейтерий. Добыть его достаточно просто, никаких проблем с этим нет. Тритий будет вырабатываться непосредственно как результат горения плазмы в самом термоядерном реакторе.
Получается одна простая вещь: топливо для промышленных термоядерных установок — это вода. Доступ к воде, к Мировому океану, имеется так или иначе у всех. То есть отпадает вопрос борьбы за энергоресурсы. Вся история развития человечества тесно сопряжена с борьбой за энергоресурсы. Она предопределена борьбой за ресурсы. Здесь мы делаем такие установки, которые этот вопрос снимают, потому что вода — основное топливо.
Это первый момент. Второй момент. Часто журналисты и просто интересующиеся люди рассуждают: «ИТЭР — это же так дорого, соответственно, и промышленные станции будут дорогими»... Почему ИТЭР так дорог? Потому что это то, чего еще никогда не было. Это первый в своем роде — такого уровня, нового поколения — термоядерный реактор. Для того, чтобы понять, как он будет работать, избежать каких-либо потенциальных неполадок, потенциальных поломок, потенциальных негативных влияний и так далее, мы, конечно же, сильно перестраховываемся. Мы делаем компоненты системы защиты и диагностики такими, чтобы их параметры превышали то, что мы можем спрогнозировать.
Вы говорите о том, что для перестраховки на ИТЭР создается много избыточного?
АП: Не избыточного, а превышающего технические требования. Я уже упомянул о том, что будет порядка 50 диагностических систем. Так много нужно потому, что нам необходимо досконально понимать все процессы, происходящие при работе реактора ИТЭР. Мы должны собрать максимум информации для того, чтобы лучше понять сам процесс, и уже при строительстве термоядерных установок промышленного масштаба все учитывать, то есть строить с учетом всех факторов и параметров.
Естественно, в дальнейшем, когда подобного рода реакторы будут тиражироваться, они будут заметно дешевле. Почему? Потому что мы, первое, будем обладать технологией, и второе — досконально изучим поведение плазмы, в связи с чем [на промышленных термоядерных реакторах] не будет такого количества диагностик и перестраховок, и все это будет значительно дешевле. ИТЭР — первый в своем роде проект. Он уникальный. И, конечно же, его создание сопряжено и со сложностями, и с крупными финансовыми вливаниями, но это прежде всего потому, что он первый в своем роде.
Так что экономически это имеет смысл. Наверное, это самое передовое энергетическое направление на сегодняшний день. Мы ценим и уважаем возобновляемые источники энергии, но, как мы все понимаем, они не могут решить всех задач человечества.
Идет постоянный рост населения, постоянное развитие науки и техники — мы хотим в космос летать, мы хотим дальние перелеты, мы хотим глубины Мирового океана изучать, проводить научные фундаментальные исследования. Все это нуждается в огромном количестве энергии. Термояд — как раз тот источник энергии, который эту самую энергию может дать.
Для этого нам прежде всего нужно реализовать проект ИТЭР, то есть в 2025 году получить первую плазму, в 2035 году исследователи приступят к изучению дейтерий-тритиевого горения. То есть пока, на первом этапе, это будет водородная плазма. Понятно, что будут запускать постепенно, постепенно увеличивать мощность, отрабатывать различные режимы и в 2035 году планируют выйти уже на дейтерий-тритиевый эксперимент.
Соответственно, ориентировочно к середине [XXI] века, мы очень надеемся, увидит свет первая демонстрационная промышленная термоядерная электростанция. Тогда уже можно будет говорить о термояде как о существующем источнике энергии.
Как вы оцениваете вероятность того, что это произойдет?
АП: Я бы сказал, вероятность огромная. Что касается ИТЭР, по моему глубокому убеждению, и я далеко не одинок в нем, его придерживается все мировое сообщество ИТЭР, точка невозврата уже пройдена. То есть были в истории ИТЭР политические, экономические и научные моменты, когда возникала некоторая бифуркационность — казалось, что что-то может застопориться и не позволить реализовать проект. Сейчас всем очевидно, что проект будет реализован, потому что уже вложено так много в него, так много сделано странами-участниками и непосредственно Организацией ИТЭР, что на данном этапе остановить проект было бы крайне нецелесообразно, просто незачем.
Успех проекта ИТЭР, в котором мы тоже не сомневаемся, продемонстрирует, что мы на верном пути, что осталось сделать всего один шаг до промышленного использования. В принципе, в положительном развитии данного направления в сообществе ИТЭР сейчас мало кто сомневается, рискну предположить, что даже никто.
Не сомневается в том, что реактор будет запущен и покажет те характеристики, на которые рассчитан?
АП: Да, совершенно верно. И когда они будут получены, когда мировое научное сообщество увидит и снимет эти показания, тогда откроется зеленый свет для освоения термояда в промышленном масштабе.