Проект на два века

Спецкор «НВ» побывала в Физико­техническом институте (ФТИ), где в трех лабораториях разрабатываются системы диагностики плазмы для термоядерного реактора ИТЭР, который сейчас возводится неподалеку от Марселя

Впервые в истории в международных масштабах планируется воспроизвести термоядерную реакцию слияния ядер водорода (дейтерия и трития), подобную той, которая происходит на Солнце. Конечная цель – получение дешевой электроэнергии. Проект объединяет ученых из стран Евросоюза, Китая, США, России, Японии, Южной Кореи и Индии.

Основная реакция выглядит так: два ядра дейтерия и трития сливаются с образованием ядра гелия (альфа­частица) и высокоэнергетического нейтрона, при этом выделяется избыток энергии.

 – Установка, которая строится сейчас во Франции, будет сугубо экспериментальной, для отработки технологических решений, – рассказывает руководитель отделения физики плазмы, атомной физики и астрофизики ФТИ профессор Михаил Петров. – Она не будет давать электричества – лишь выделять энергию. Мы ожидаем получить режим самоподдерживающейся реакции горения плазмы. Даже если это не получится, при мощности нагрева плазмы на входе 30 МВт мощность на выходе составит 500 МВт.

 Такой КПД, несомненно, очень высок. Однако если в камере реактора удастся создать режим самоподдерживающейся реакции горения плазмы, коэффициент размножения энергии вообще окажется равным бесконечности. Тогда у человечества появится неограниченный источник электроэнергии, причем очень дешевой, ведь водорода в водных пространствах Земли предостаточно.

 В свое время каждая из стран – участниц проекта создавала свои токамаки – тороидальные вакуумные камеры с магнитными катушками, в СССР они возникли еще в 1960х годах. 

 В 1990е американцы на токамаке, который был втрое меньше ИТЭРа, получили термоядерную управляемую реакцию с большим энергетическим выходом, но плазма горела лишь две секунды изза распыления стенок реактора. Так что одна из главных проблем ИТЭРа – высокопрочные материалы. Кроме того, для создания режима самоподдерживающейся реакции горения плазмы необходим постоянный ток в магнитных катушках, окружающих плазму. А он возможен только в сверхпроводнике. В проекте решено использовать сверхпроводящие обмотки из ниобия олова, которые будут охлаждаться гелием. 

 ИТЭР – один из самых долгосрочных международных проектов. Идея его строительства существует почти три десятка лет, и почти все это время он существовал лишь на бумаге. Сейчас близится к завершению создание железобетонного фундамента под реактор и возведение стен в котловане. Первые реакции термоядерного синтеза запланированы только на 2026 год.

 Почему же ИТЭР стал всемирным долгостроем?

 – Это самая сложная установка за всю историю человечества, – отвечает Михаил Петров. – Для сравнения: космические системы – на втором месте по сложности. А где сложность, там и дороговизна.

 После того как в 1992 году ЕС, Россия, США и Япония подписали четырехстороннее соглашение о разработке инженерного проекта ИТЭР, в Америке и Японии появилось два проектных центра, в каждом по 150 инженеров­проектировщиков. Проект был готов только к 2000 году. В итоге его стоимость подскочила с 5 до 12 миллиардов долларов, то есть более чем в два раза. Пришлось перенести и сроки начала экспериментов – с 2016 на 2020 год. Из­за дороговизны проекта Соединенные Штаты на какое­то время от него отказались, а оставшимся странам­участницам было его не вытянуть. Поэтому проект удешевили раза в полтора за счет уменьшения размеров камеры ИТЭРа, и в 2003м США вернулись к участию в проекте. Тогда же к нему примкнули Китай и Южная Корея, а через два года Индия. В 2010 году изза удорожания материалов стоимость строительства реактора вновь увеличилась – до 15 млрд евро. Самое дорогое в проекте – сверхпроводящие обмотки из ниобия олова.

 Ученые считают, что удешевление проекта привело к проблемам. Первоначально в установке радиус сечения тороидальной камеры, где содержится плазма, был больше трех метров. При таком объеме плазма наверняка вспыхнула бы, и самоподдерживающаяся реакция горения была бы осуществлена. При удешевлении площадь реактора сжали до двух метров, что, по мнению российских ученых, привело к снижению вероятности возникновения режима самоподдерживающейся плазмы.

 Тем не менее ИТЭР – экспериментальная установка, а не промышленный реактор. Ее задача – отработать возможные технологические условия и выбрать материалы, способные выдерживать постоянное горение плазмы. Поэтому камера установки составлена из модульных секций, в которые можно помещать различные материалы и смотреть, как удерживается плазма и можно ли заставить ее гореть постоянно. На эти и другие эксперименты отведен приличный срок с 2019 по 2026 год.

 Сегодня президент Курчатовского института Евгений Велихов, который ранее возглавлял совет директоров организации ИТЭР, убежден:

– Руководству проекта к настоящему времени удалось справиться с серьезными трудностями, возникшими в последние два года. И сейчас дорога к строительству реактора открыта.

После того как в 2006 году было подписано соглашение о сооружении термоядерной установки, между странами – участницами проекта развернулось ожесточенное соперничество за право строительства ИТЭРа. В конце концов выбор пал на исследовательский центр Кадараш, что в 60 километрах от Марселя. В Японии в качестве компенсации будет построен мощный центр для исследования материалов, предназначенных для испытаний на ИТЭРе. Страны Европы вносят около половины объема финансирования проекта, на долю России приходится примерно 10 процентов, которые будут инвестированы в форме высокотехнологичного оборудования. Идея строительства токамака нового поколения с участием стран, наиболее продвинувшихся в изучении термоядерных реакций, родилась еще в 1985 году. Ее предложили два советских академика – Евгений Велихов и Борис Кадомцев. Ученые надеялись, что такой экспериментальный проект поможет решить ряд физических и технологических проблем, а также получить подтверждение возможности коммерческого использования термоядерного реактора. Кроме того, международный проект мог принести и политические дивиденды: перестройка нуждалась в поддержке Запада. Тогда стоимость проекта оценивалась в 5 миллиардов долларов. И назывался он ИНТОР. В нем уже участвовали четыре стороны – ЕС, Россия, Япония, США.  Предполагается, что во время основной реакции в камере ИТЭРа также будет происходить реакция воспроизводства трития в результате взаимодействия ядра лития с нейтроном. Литий течет в специальных трубках, которыми пронизаны стенки камеры. При этом количество образующегося трития должно превышать потребности самой установки, что теоретически позволит обеспечивать тритием и новые установки. Один килограмм трития стоил в 2010 году примерно 30 млн долларов.  Несмотря на радиоактивный тритий и излучение высокоэнергетичных нейтронов, ученые гарантируют высокую радиационную безопасность установки. За пределы камеры из особой высокопрочной стали, покрытой бериллием либо вольфрамом, окруженной бланкетом (оболочка из тяжелого материала, пронизанная трубками с литием), нейтроны вылетать не будут. С точки зрения безопасности реактора нужно также учесть, что одномоментно в камере содержится лишь несколько граммов трития, единственного радиоактивного элемента термоядерного топлива. Так что даже в случае разрушения реактора в результате взрыва радиоактивность в атмосфере будет ничтожной.