Физика

Путь — по-латински ITER

Как создается международный термоядерный реактор

Luca Zanier/ITER Organization/EJF Riche/Indicator.Ru

Почему плазма «хитрее» воды, как ее энергия используется в термоядерном реакторе, в чем значение реактора ITER, каким был его тернистый путь и когда планируется завершение строительства — в репортаже Indicator.Ru.

«Энергия абсолютно необходима для жизни. Мир населяет восемь миллиардов людей. И перед нами стоит задача поставлять энергию этим восьми миллиардам. Пока более 80% мирового потребления приходится на ископаемое топливо. Однако его ресурс ограничен, и, как мы знаем, продукты его горения уродуют облик нашей планеты. Есть и «зеленые» источники: ветер, солнечный свет, приливы и другие. Но они непостоянны и не могут удовлетворить потребности всех жителей планеты. Поэтому нам нужно найти новый масштабный, непрерывный и безопасный способ производства энергии, — отвечает на вопросы журналистов генеральный директор ITER Бернар Биго, держа в руке желтый рабочий жилет.

«В ходе поисков мы получили вдохновение из глубин Вселенной. Нашими музами стали звезды, которые подпитывает энергия термоядерного синтеза на протяжении миллиардов лет. Лучшие ученые и инженеры смогли перенести этот процесс из космоса на Землю и создали токамак».

Сегодня на юге Франции 35 стран участвуют в создании крупнейшего в мире токамака. ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) станет первым термоядерным устройством, выход энергии которого будет превосходить ее затраты на разогрев плазмы, и первым, способным поддерживать термоядерный синтез в течение длительного времени.

Две встречи

Осенью 1985 года генеральный секретарь ЦК КПСС Михаил Горбачев впервые посещает Париж. Горбачев рассчитывал на то, что построение социализма с человеческим лицом в результате постепенных последовательных реформ позволит сохранить советскую экономику на плаву. Он стремится довести до Запада, что соблюдение Хельсинкского заключительного акта способно оздоровить климат на континенте. «Мы живем в одном доме, хотя одни входят в этот дом из одного подъезда, другие — из другого подъезда. Нам нужно сотрудничать и налаживать коммуникации в этом доме», — отвечал он на вопросы журналистов.

Весной того же года доктор физико-математических наук Евгений Велихов в Вене встречает своего коллегу и хорошего друга Майка Робертса, сотрудника Министерства энергетики США. В маленьком венском ресторане Велихов впервые поднял вопрос международного сотрудничества по развитию термоядерной энергии в мирных целях.

В то время исследования магнитного термоядерного синтеза проводились в Японии, Европе, Советском Союзе и США. Однако следующий шаг не был по бюджету ни одной из этих стран. Наравне с Великовым у истоков проекта встал директор Управления энергетических исследований Министерства энергетики США Элвин Тривельпие. Позднее именно ему принадлежало решение утвердить перераспределение четырех миллионов долларов США для начала тогда противоречивого проекта «Геном человека».

Майк Робертс и Евгений Велихов на заседании Совместного координационного комитета США по синтезу энергии (JFPCC) 19–20 сентября 1985 года в Курчатовском институте в Москве

Курчатовский институт

Официально идея международного термоядерного реактора была оглашена в ноябре 1985 года. Михаил Горбачев поддержал идею профессора Велихова, и на Женевском саммите сверхдержав именно он изложил проект президенту Рейгану. В правительстве США тогда разгорелась крупномасштабная бюрократическая борьба. Одним из аргументов против сотрудничества было убеждение, что СССР использует его как предлог для кражи американских технологий. Второй аргумент был символичен — советский физик Андрей Сахаров находился в изгнании, и США давили на Советский Союз с точки зрения прав человека. По итогам совещания Совета национальной безопасности было принято решение продолжать реализацию проекта.

Рональд Рейган и Михаил Горбачев на Женевском саммите в 1985 году

Wikimedia Commons

Через год было достигнуто четырехстороннее соглашение между Евросоюзом, Японией, Советским Союзом и США. В 1999 году США отказались от участия — впрочем, ненадолго. Детальный проект был утвержден в 2001 году, в 2003-м к ITER присоединились Китайская Народная Республика и Республика Корея, вновь стали участниками США и прекратила свое участие Канада. В 2005 году вступила в проект последний на сегодня член — Индия.

Место для строительства ITER выбирали долго. Сперва конструкцию планировали установить в Японии, однако ввиду высокого уровня сейсмоопасности островное государство уступило в пользу юга Франции. Пойдя на компромисс, Евросоюз пообещал сохранить за Японией должности 20% научных сотрудников и главы административного органа. Кроме того, в рамках ITER на территории Японии будет построен еще один исследовательский центр, 50% которого будет оплачено из бюджета Евросоюза.

В 2006 году в Елисейском дворце прошла церемония, где соглашение ITER было официально скреплено подписями министров семи участников — Китая, Евросоюза, Индии, Японии, Кореи, США и России.

«Если включить непредвиденные расходы в бюджет, то можете быть уверены, что они будут израсходованы»

В 2008 году грейдеры начали ровнять 42 гектара песка, а через два года экскаваторы принялись раскапывать углубление под токамак. К строительству самого комплекса приступили в 2013 году. И сегодня европейские подрядчики ожидают составные детали со всего мира.

По словам руководителя отдела контроля проекта ITER Ханса-Генриха Альтфельда, среди членов ITER были споры о включении непредвиденных расходов времени и денег в план: «Некоторые настаивали на наличии непредвиденных обстоятельств: это хорошая практика управления проектами, особенно первыми в своем роде. Другие придерживались мнения, что если включить непредвиденные расходы в бюджет или график, то можете быть уверены, что они будут израсходованы. В конце концов решили непредвиденные обстоятельства не включать».

В 2001 году страны-участницы поддержали проведение исследований и разработок на сумму 42 миллиарда рублей. В 2006 году смета была утверждена на расходы в размере 820 миллиардов рублей. Начать строительство планировалось в 2008 году, а завершить — десятилетием позже. В 2015 году график сдвинули как минимум на шесть лет. По последним данным, проект обойдется в 1,5 трлн рублей.

«Видите прямо перед вами здание токамака? Оно должно быть готово к установке оборудования в марте 2020 года, — рассказывает Биго. — Два года назад многие отвечающие за его строительство поставщики заявили, что не смогут уложиться в наш график. На это я ответил: "Ни за что, мне жаль. Мы работаем вместе. И ваша задача — приложить все усилия, чтобы успеть вовремя"».

«Мы придерживаемся следующего графика: первая плазма — в 2025 году, первый физический эксперимент — в 2028-м, полная мощность термоядерного синтеза — к 2035-му», — рассказывает специалист.

Arrows-left
Arrows-right
Reload
1 / 2

Токамак JET

Фото: World Nuclear News

«Если бы могли сами создать такой объект, мы бы, конечно, его создали. Понятно, что за последние десятилетия не всегда наука развивалась поступательно. Были исторические отрезки, когда у нас не вкладывали в науку ни государство, ни бизнес», — поясняет глава «Росатома» Алексей Лихачев.

В прошлом был построен не один токамак, но все они были слишком малы. Чтобы нагревать плазму до 150 млн °C, нужно много энергии, а значит — нужен большой токамак. Тем не менее и в настоящее время участники проекта помимо международного проекта ITER вкладывают силы и средства и в национальные программы. Как ни крути, основа физики — это эксперимент.

Ядерный синтез — это реакция слияния атомных ядер. Объединяясь, они порождают новые атомные ядра, субатомные частицы — нейтроны или протоны — и энергию (со знаком плюс или минус в зависимости от разницы масс продуктов и реагентов). При чудовищных температуре и давлении в центре тела звезды ядра водорода сталкиваются, сливаются в более тяжелые атомы гелия и выделяют гигантские количества энергии. Частично энергия ядерного синтеза Солнца поступает на Землю. Она нагревает атмосферу, вызывает полярные сияния, формирует озоновый слой, запускает процесс фотосинтеза. Благодаря последнему энергия Солнца усваивается и по пищевым цепям достигает всех обитателей Земли (кроме разве что хемотрофных бактерий).

Чтобы приручить энергию термоядерного синтеза в лабораторных условиях, необходимы три условия: температура 150 000 000 °С, высокая плотность для столкновения частиц и достаточное для прохождения реакции время удержания плазмы. Но плазма быть удержанной, конечно, не желает.

«Знаете ли вы пословицу "Вода всегда трещину найдет”? Плазма еще хитрее: она еще и условия создаст, чтобы эту трещину в магнитной конфигурации создать», — поясняет доктор физико-математических наук Валерий Сафронов. Профессор МФТИ Сафронов — сотрудник Проектного центра ITER, тот человек, который отвечает в России за изготовление первой стенки токамака, обращенной к плазме.

Наиболее эффективная реакция термоядерного синтеза протекает между изотопами водорода — дейтерием (D) и тритием (T). Реакция дает самый большой выход энергии при относительно низких температурах. Сердцем токамака служит вакуумная камера в форме своеобразного «бублика» — тора. Внутри под действием высокой температуры газообразное водородное топливо становится плазмой — четвертым состоянием вещества. То есть ионизированным газом с одинаковой суммарной плотностью положительных ядер и отрицательных электронов. Частицы плазмы нагреваются, ускоряются — и сливаются.

Высокая температура нужна для того, чтобы преодолеть электростатическое отталкивание положительно заряженных ядер. В результате слияния ядер дейтерия и трития образуется одно ядро гелия, один нейтрон и большое количество энергии. Ядро гелия уносит электрический заряд, а значит, под действием магнитного поля остается в пределах плазмы и способствует ее непрерывному нагреву. Около 80% энергии уходит с нейтроном, который не имеет электрического заряда и потому не подвержен влиянию магнитных полей. Эти нейтроны поглощаются в стенках токамака, где их кинетическая энергия преобразуется в тепло.

Чтобы удерживать раскаленную реакционную смесь, в ITER применяют катушки — 18 тороидальных, шесть полоидальных, 18 корректирующих и один центральный соленоид. Катушки создают магнитные поля, которые и удерживают плазму.

«Если представить свернутый в кольцо кусок шланга со склеенными концами, то тороидальное магнитное поле направлено вдоль получившейся окружности, а полоидальное — вдоль окружности трубки шланга. Эти два основных поля необходимы для того, чтобы обеспечить устойчивость плазмы», — рассказывает Сафронов.

Магнитное поле действует так, что вдоль него заряженные частицы могут путешествовать свободно, а поперек — отнюдь. В норме магнитное поле не позволяет плазме касаться стенок токамака. Однако если частицы плазмы все-таки получат доступ к стенке, то примутся выбивать из нее атомы. Это приведет к эрозии стенки и «загрязнению» плазмы примесями. «В отличие от изотопов водорода — дейтерия и трития — примеси, попадающие в плазму со стенок камеры, имеют зарядовое число больше единицы (зарядовое число Z — количество протонов в ядре. Оно равно порядковому номеру в таблице Менделеева — прим. Indicator.Ru). Чем выше Z, тем более высокой излучательной способностью обладают примеси и вызывают более интенсивное радиационное охлаждение плазмы, — продолжает ученый. — Поэтому важно изготовить стенку из легкого элемента с малым Z. Мы для этого используем бериллий».

Первая стенка будет состоять из панелей площадью метр на два. Ее покроют бериллиевые пластинки толщиной 8 мм и площадью 16 на 16 мм. За стенкой проведены теплоотводящие каналы с водой, и потому пластинки должны быть тонкими. Поверхность материала может растрескиваться от тепловых нагрузок, и потому плиточки должны быть крохотными. Для крепления пластинок в МИФИ был разработан специальный припой. Если в ходе работы токамака хоть одна пластинка отскочит, технология позволит обратно ее припаять.

В основе термоядерной электростанции лежит тот же принцип, что и в основе любой другой. Атомная электростанция питается энергией распада атомных ядер тяжелого урана, тепловая электростанция — энергией горения топлива, гидроэлектростанция — энергией тока воды. Токамак ITER станет прототипом электростанции, использующей энергию слияния ядер. И, как и любая электростанция, токамак будет преобразовывать механическую энергию в энергию электричества.

«В подходе к созданию термоядерного реактора на основе токамака есть много проблем, но две принципиальных. Первая — это проблема материалов: из чего сделать камеру? Материал будет контактировать с плазмой, эродировать и, попадая в горячую термоядерную плазму, вызывать ее радиационное охлаждение. Кроме того, материал должен выдерживать огромные нейтронные потоки. Вторая — тороидальный ток в плазме токамака не может течь до бесконечности. Электрический ток создает полоидальное магнитное поле и разогревает плазму. Но ток течет по плазме только до тех пор, пока существует вихревое тороидальное электрическое поле, создаваемое нарастающим током в первичной обмотке-индукторе. В перспективе термоядерный реактор должен работать стационарно, и в этом смысле стелларатор выглядит предпочтительнее (стелларатор — «собрат» токомака, все магнитные поля которого создают катушки, — прим. Indicator.Ru). А как греть плазму — это другой вопрос», — отмечает ученый.

«В токамаке ITER многие элементы работают на пределе физических возможностей материалов, но на нем все не закончится. ITER — это чисто экспериментальная машина, и на смену ей придет первый демонстрационный реактор DEMO. И там уже надо другие материалы использовать. Пока же мы их отрабатываем».

«Только русские могут взяться»

На встрече Алексея Лихачева и Бернарда Биго 17 октября обсуждался переход проекта в новую фазу — получения составных компонентов токамака со всего мира. Специально разработанные стоколесные трейлеры будут перевозить катушки со скоростью пять километров в час по выделенной дороге. Часть предварительно смонтированного оборудования весит до полутора тысяч тонн. Согласно ожиданиям, компоненты будут доставлены в исследовательский центр до 2021 года, установка оборудования начнется в марте 2024-го.

Arrows-left
Arrows-right
Reload
1 / 5

Высокотехнологичные силовые кабели в России. Россия поставляет 5,4 км (500 тонн) сильноточных шин с водяным охлаждением для сверхпроводящих магнитов; самый крупный будет нести порядка 70 килоампер тока

Фото: ITER Organization

«С точки зрения человеческой логики параметры не просто поражают, они кажутся совсем-совсем сказочными. В одном технологическом контуре, в одном реакторе должна быть получена и сверхвысокая температура, которой еще нет в нашей Вселенной. Даже Солнце в десять раз холоднее, поскольку там другие плотности. Максимальная температура — 300 миллионов градусов, минимальная — практически абсолютный ноль, 3–4 К. И это все должно работать. Работать, отдавая 500 мВт энергии», — подчеркнул на пресс-конференции глава «Росатома».

«Формально мы участвуем на 9% в финансировании проекта. Как деньгами, так и поставками оборудования. При этом мы получаем 100% знаний, 100% опыта, 100% компетенции. На сегодняшний день во всех ключевых системах Российская Федерация участвует. Не только корпорация "Росатом", но и Курчатовский институт, Российская академия наук и ее институты. Они взяли на себя поставку проводников, вакуумных камер, магнитных катушек. Когда речь идет о наиболее сложном оборудовании — таком, как подводные шины, — то, как говорят здесь специалисты, только русские могут взяться за реализацию такого сложного современного оборудования».

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.