Термоядерный гигантизм

Недавно в Московском физико-техническом институте состоялась российская презентация проекта ИТЭР, в рамках которого планируется создать термоядерный реактор, работающий по принципу токамака. Группа ученых из России рассказала о международном проекте и об участии российских физиков в создании этого объекта. «Лента.ру» посетила презентацию ИТЭР и поговорила с одним из участников проекта.

ИТЭР (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor — Международный термоядерный экспериментальный реактор) — проект термоядерного реактора, позволяющий продемонстрировать и исследовать термоядерные технологии для их дальнейшего использования в мирных и коммерческих целях. Создатели проекта считают, что управляемый термоядерный синтез может стать энергетикой будущего и служить альтернативой современным газу, нефти и углю. Исследователи отмечают безопасность, экологичность и доступность технологии ИТЭР по сравнению с обычной энергетикой. По сложности проект сравним с Большим адронным коллайдером; установка реактора включает в себя более десяти миллионов конструктивных элементов.

Для тороидальных магнитов токамака необходимо 80 тысяч километров сверхпроводящих нитей; общий их вес достигает 400 тонн. Сам реактор будет весить около 23 тысяч тонн. Для сравнения — вес Эйфелевой башни в Париже равен всего 7,3 тысячи тонн. Объем плазмы в токамаке будет достигать 840 кубических метров, тогда как, например, в крупнейшем действующем в Великобритании реакторе такого типа — JET — объем равен ста кубическим метрам.

Высота токамака составит 73 метра, из которых 60 метров будут находиться над землей и 13 метров — под ней. Для сравнения, высота Спасской башни Московского Кремля равна 71 метру. Основная платформа реактора будет занимать площадь, равную 42 гектарам, что сопоставимо с площадью 60 футбольных полей. Температура в плазме токамака будет достигать 150 миллионов градусов Цельсия, что в десять раз выше температуры в центре Солнца.

В строительстве ИТЭР во второй половине 2010 годов планируется задействовать одновременно до пяти тысяч человек — в их число войдут как рабочие и инженеры, так и административный персонал. Многие компоненты ИТЭР будут доставляться от порта у Средиземного моря по специально сооруженной дороге длиной около 104 километров. В частности, по ней будет перевезен самый тяжелый фрагмент установки, масса которого составит более 900 тонн, а длина — около десяти метров. Более 2,5 миллионов кубометров земли вывезут с места строительства установки ИТЭР.

Общие затраты на проектные и строительные работы оцениваются в 13 миллиардов евро. Эти средства выделяются семью основными участниками проекта, представляющими интересы 35 стран. Для сравнения, совокупные расходы на строительство и обслуживание Большого адронного коллайдера почти в два раза меньше, а строительство и поддержание работоспособности Международной космической станции обходится почти в полтора раза дороже.

Сегодня в мире существуют два перспективных проекта термоядерных реакторов: токамак (тороидальнаякамера смагнитнымикатушками) и стелларатор. В обеих установках плазма удерживается магнитным полем, однако в токамаке она имеет форму тороидального шнура, по которому пропускается электрический ток, тогда как в стеллараторе магнитное поле наводится внешними катушками. В термоядерных реакторах происходят реакции синтеза тяжелых элементов из легких (гелия из изотопов водорода — дейтерия и трития), в отличие от обычных реакторов, где инициируются процессы распада тяжелых ядер на более легкие.

Электрический ток в токамаке используется также и для начального разогрева плазмы до температуры около 30 миллионов градусов Цельсия; дальнейший разогрев производится специальными устройствами.

Теоретическая схема токамака была предложена в 1951 советскими физиками Андреем Сахаровым и Игорем Таммом, и в 1954 году в СССР была построена первая установка. Однако, ученым не удавалось продолжительное время поддерживать плазму в стационарном режиме, и к середине 1960 годов в мире сложилось убеждение, что управляемый термоядерный синтез на основе токамака невозможен.

Но уже через три года на установке Т-3 в Институте атомной энергии имени Курчатова под руководством Льва Арцимовича удалось нагреть плазму до температуры более пяти миллионов градусов Цельсия и ненадолго удержать ее; ученые из Великобритании, присутствовавшие на эксперименте, на своем оборудовании зафиксировали температуру около десяти миллионов градусов. После этого в мире начался настоящий бум токамаков, так что в мире было построено около 300 установок, самые крупные из которых находятся в Европе, Японии, США и России.

В 1985 году Евгений Велихов предложил Михаилу Горбачеву объединить усилия США и СССР в области термоядерной энергетики и начать работу над созданием международного термоядерного реактора на основе токамака. В 1988 начались первые проектные работы, и уже в 1992 году было подписано международное соглашение о разработке технического проекта реактора ИТЭР. Полная стоимость на этапе разработки проекта составила около двух миллиардов долларов. Участие России и США в финансировании этого этапа составило примерно по 17 процентов; остальная часть была поделена примерно поровну между ЕС и Японией.

Сейчас основными учредителями ИТЭР являются Евросоюз, Индия, Китай, Южная Корея, Россия, США и Япония. В проекте прямо или косвенно заняты около 35 стран, составляющие более половины населения земного шара. По квоте России с 1994 года в проекте ИТЭР участвует и Казахстан. Ученые планируют уже в 2020 году начать эксперименты на ИТЭР. Однако начало работ часто откладывается; к настоящему времени запаздывание оценивается в два-три года.

В самом начале проекта между Японией и Францией шла борьба за возможность размещения установок ИТЭР на своих территориях. В результате победила Франция: в 2005 году было принято решение о строительстве реактора на юге страны, в 60 километрах от Марселя в исследовательском центре Карадаш. Комплекс занимает общую площадь около 180 гектаров. На ней размещены установки реактора, системы энергообеспечения, газохранилище, водонасосная станция, градирня, административные и другие здания. В 2007 году началось строительство комплекса и закладка фундамента, а совсем недавно, 19 марта 2014 года, произведена заливка бетона для установки для получения трития.

В основе работы реактора ИТЭР лежит термоядерная реакция слияния изотопов водорода дейтерия и трития с образованием гелия с энергией 3,5 мегаэлектронвольт и высокоэнергетического нейтрона (14,1 мегаэлектронвольт). Для этого дейтерий-тритиевая смесь должна быть нагрета до температуры более ста миллионов градусов Цельсия, что в пять раз больше температуры Солнца. При этом смесь превращается в плазму из положительно заряженных ядер водорода и электронов. В такой разогретой плазме энергии дейтерия и трития достаточно, чтобы начались термоядерные реакции слияния с образованием гелия и нейтрона.

На один акт реакции выделяется энергия в 17,6 мегаэлектронвольт, которая включает в себя кинетическую энергию нейтрона и ядра гелия. Нейтрон из плазмы попадает в теплоноситель, которым окружена плазма, и его энергия движения переходит в тепловую энергию. Энергия гелия используется для поддержания стационарного температурного режима в плазме.

Дейтерий содержится в обычной воде; его ученые научились добывать сравнительно легко. В природном водороде содержится около 0,01 процента этого изотопа. С тритием сложнее — его почти нет на Земле. Однако, ученые планируют получать его в рамках проекта ИТЭР, используя реакции взаимодействия нейтрона с изотопами лития Li-6 и Li-7, который может быть введен в состав теплоносителя бланкета — оболочки, окружающей плазму. Продуктами такого взаимодействия являются гелий, тритий и нейтрон (в случае изотопа Li-7).

Суммируя, можно сказать, что топливом для реактора ИТЭР являются дейтерий и литий. При этом содержание дейтерия в воде океана практически не ограничены, а лития в земной коре почти в 200 раз больше, чем урана; при использовании дейтерия, содержащегося в бутылке воды, выделится столько же энергии, сколько при сжигании бочки бензина: калорийность термоядерного топлива в миллион раз выше любого из современных неядерных источников энергии.

Для энергетической выгоды реактор должен функционировать со значением параметра Q, большего пяти. Этот параметр показывает соотношение высвобождаемой в процессе реакции энергии к энергии, затраченной на создание и нагрев плазмы. Кроме того, необходим нагрев плазмы до температуры, большей ста миллионов градусов Цельсия, и такая нагретая плазма в реакторе должна быть устойчивой более одной секунды.

Так, на установке TFTR в Нью-Джерси в США была осуществлена термоядерная реакция с мощностью около десяти мегаватт с импульсом длительностью 0,3 секунды. На установке JET в Великобритании была получена мощность 17 мегаватт с Q=0,6.

В ИТЭР в первой фазе эксперимента планируется удержать плазму до тысячи секунд с Q более десяти при температуре около 150 миллионов градусов и выделяемой мощностью в 500 мегаватт. Во второй фазе ученые хотят перейти к непрерывному режиму работы токамака, и, в случае успеха, к первой коммерческой версии токамака DEMO. DEMO будет устроен существенно проще и не будет носить исследовательской нагрузки, а для его работы не потребуется значительного числа датчиков, так как необходимые параметры работы реактора будут отработаны уже на экспериментальном реакторе ИТЭР.

Участие России в проекте ИТЭР в настоящее время составляет около десяти процентов. Это позволяет стране получать доступ ко всем технологиям проекта. Основной задачей, которая стоит перед Россией в рамках проекта, является производство сверхпроводящих магнитов, а также разнообразных диагностических датчиков и анализаторов структуры плазмы.

«Лента.ру» побеседовала с российским участником проекта ИТЭР Владимиром Аносовым, начальником группы в отделе экспериментальной физики токамаков ГНЦ РФ ТРИНИТИ.

На чем основана уверенность в том, что ИТЭР заработает через 5-10 лет? На каких практических и теоретических разработках?

С российской стороны заявленный график работ мы выполняем и не собираемся нарушать. К сожалению, мы видим некоторое запаздывание работ, выполняемых другими, в основном Европой; частично есть запаздывание у Америки и наблюдается тенденция к тому, что проект будет несколько задержан. Задержан, но не остановлен. Есть уверенность в том, что он заработает. Концепт самого проекта полностью теоретически и практически просчитан и надежен, поэтому я думаю, что он заработает. Даст ли он в полной мере заявленные результаты... поживем — увидим.

Проект скорее носит исследовательский характер?

Конечно. Заявленный результат не есть полученный результат. Если он будет получен в полной мере, я буду предельно счастлив.

Какие новые технологии появились, появляются или будут появляться в проекте ИТЭР?

Проект ИТЭР является не просто сверхсложным, но еще и сверхнапряженным проектом. Напряженным в плане энергонагрузки, условий эксплуатации определенных элементов, в том числе наших систем. Поэтому новые технологии просто обязаны рождаться в этом проекте.

А есть пример?

Космос. Например, наши алмазные детекторы. Мы обсуждали возможность применения наших алмазных детекторов на космических грузовиках, которые представляют собой ядерные машины, перевозящие некоторые объекты типа спутников или станций с орбиты на орбиту. Есть такой проект космического грузовика. Так как это аппарат с ядерным реактором на борту, то сложные условия эксплуатации требуют анализа и контроля, так что наши детекторы вполне могли бы это сделать. На данный момент тема создания такой диагностики пока не финансируется. Если она будет создана, то может быть применена, и тогда в нее не нужно будет вкладывать деньги на стадии разработки, а только на стадии освоения и внедрения.

Какова доля современных российских разработок нулевых и девяностых годов в сравнении с советскими и западными разработками?

Доля российского научного вклада в ИТЭР на фоне общемирового очень велика. Я не знаю ее точно, но она очень весома. Она явно не меньше российского процента финансового участия в проекте, потому что во многих других командах есть большое количество русских, которые уехали за границу работать в другие институты. В Японии и Америке, везде, мы с ними очень хорошо контактируем и работаем, кто-то из них представляет Европу, кто-то — Америку. Кроме того, там есть и свои научные школы. Поэтому, насчет того, сильнее мы или больше развиваем то, что делали раньше... Один из великих сказал, что «мы стоим на плечах титанов», поэтому та база, которая была наработана в советские времена, неоспоримо велика и без нее мы ничего бы не смогли. Но и в данный момент мы не стоим на месте, мы движемся.

А чем занимается именно ваша группа в ИТЭР?

У меня сектор в отделе. Отдел занимается разработкой нескольких диагностик, наш сектор занимается конкретно разработкой вертикальной нейтронной камеры, нейтронной диагностики ИТЭР и решает большой круг задач от проектирования до изготовления, а также проводит сопутствующие научно-исследовательские работы, связанные с разработкой, в частности, алмазных детекторов. Алмазный детектор — уникальный прибор, первоначально созданный именно в нашей лаборатории. Ранее использовавшийся на многих термоядерных установках, сейчас он применяется достаточно широко многими лабораториями от Америки до Японии; они, скажем так, пошли за нами следом, но мы продолжаем оставаться на высоте. Сейчас мы делаем алмазные детекторы и собираемся выйти на уровень их промышленного производства (мелкосерийного производства).

В каких отраслях промышленности могут использоваться эти детекторы?

В данном случае это термоядерные исследования, в дальнейшем мы предполагаем, что они будут востребованы в ядерной энергетике.

Что именно делают детекторы, что они измеряют?

Нейтроны. Более ценного продукта, чем нейтрон, не существует. Мы с вами также состоим из нейтронов.

Какие характеристики нейтронов они измеряют?

Спектральные. Во-первых, непосредственная задача, которая решается в ИТЭРе, это измерение энергетических спектров нейтронов. Кроме того, они мониторят количество и энергию нейтронов. Вторая, дополнительная задача, касается ядерной энергетики: у нас есть параллельные разработки, которые могут измерять и тепловые нейтроны, являющиеся основой ядерных реакторов. У нас эта задача второстепенная, но она также отрабатывается, то есть мы можем работать здесь и в тоже время делать наработки, которые могут быть вполне успешно применены в ядерной энергетике.

Какими методами вы пользуетесь в своих исследованиях: теоретическими, практическими, компьютерным моделированием?

Всеми: от сложной математики (методов математической физики) и математического моделирования до экспериментов. Все самые разные типы расчетов, которые мы проводим, подтверждаются и проверяются экспериментами, потому что у нас непосредственно экспериментальная лаборатория с несколькими работающими нейтронными генераторами, на которых мы проводим тестирование тех систем, которые сами же и разрабатываем.

У вас в лаборатории есть действующий реактор?

Не реактор, а нейтронный генератор. Нейтронный генератор, по сути, это минимодель тех термоядерных реакций, о которых идет речь. В нем идет все то же самое, только там процесс несколько иной. Он работает по принципу ускорителя — это пучок определенных ионов, ударяющий по мишени. То есть в случае плазмы мы имеем горячий объект, в котором каждый атом имеет большую энергию, а в нашем случае специально ускоренный ион ударяется по мишени, насыщенной подобными же ионами. Соответственно, происходит реакция. Скажем так, это один из способов, которым вы можете делать ту же самую термоядерную реакцию; единственное только, что доказано, что данный способ не обладает высоким КПД, то есть вы не получите положительный энерговыход, но саму реакцию вы получаете — мы непосредственно наблюдаем данную реакцию и частицы и все, что в ней идет.

Андрей Борисов