Человечество постепенно подходит к границе необратимого истощения углеводородных ресурсов Земли. Мы почти два столетия добываем из недр планеты нефть, газ и уголь, и уже понятно, что их запасов не хватит еще на один век. Ведущие страны мира давно задумались над созданием нового источника энергии, экологически чистого, безопасного с точки зрения эксплуатации, с колоссальными топливными запасами.
Сегодня много говорят об использовании так называемых альтернативных видов энергии – возобновляемых источников в виде фотовольтаики, ветроэнергетики и гидроэнергетики. Очевидно, что в силу своих свойств данные направления могут выступить лишь в роли вспомогательных источников энергоснабжения. Еще в советское время в нашей стране были попытки построить солнечные электростанции, и уже тогда стало ясно, что этот вид энергетики можно эксплуатировать в ограниченном количестве регионов планеты.
К тому же коэффициент полезного действия солнечных батарей невысокий. Для того чтобы получить, к примеру, 1 ГВт электроэнергии, нужно покрыть этими батареями колоссальную территорию, соизмеримую по площади с небольшим городом. А ведь человечеству требуются тысячи ГВт для удовлетворения потребностей в энергоснабжении.
Схожие недостатки и у ветроэнергетики. Прежде всего — нестабильность энергоснабжения, поскольку работа ветроэнергоустановки зависит от капризов ветра. Ветроэнергетике присущи и экологические проблемы: для достижения существенной энергомощности требуется установить множество ветряков на большой территории, где из-за постоянных вибраций почва подвергается эрозии, а в столкновениях с лопастями ветряков гибнут птицы. Затопление огромных территорий при строительстве гидроэлектростанций приводит к необратимым экологическим процессам в целых регионах.
В качестве долгосрочной перспективы человечества можно рассматривать энергетику на основе ядерных реакций. С одной стороны, интерес к строительству ядерных реакторов на своей территории проявляет все больше государств. Но все же насущной проблемой для ядерной энергетики является переработка и захоронение радиоактивных отходов, а это сказывается на экономических и экологических показателях. Еще в середине ХХ века ведущие мировые ученые-физики в поисках новых видов энергии 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. Лучше всех с задачей разработки установки для реализации ядерных реакций синтеза в земных условиях справились отечественные специалисты. Знания и опыт в области управляемого термоядерного синтеза (УТС), полученные в нашей стране, легли в основу проекта, являющегося без преувеличения энергетической надеждой человечества – Международного экспериментального термоядерного реактора (ИТЭР, ITER), который возводится в Кадараше (Франция).
История термоядерного синтеза
Первые термоядерные исследования начались в странах, работавших над своей атомной оборонной программой. Это не удивительно, ведь на заре атомной эры главной целью появления реакторов с дейтериевой плазмой было исследование физических процессов в горячей плазме, знание которых было необходимо в том числе и для создания термоядерного оружия. Согласно рассекреченным данным, СССР и США практически одновременно начали в 1950-х годах работы по УТС. Но, в тоже время, есть исторические свидетельства, что еще в 1932 году старый революционер и близкий друг вождя мирового пролетариата Николай Бухарин, занимавший в тот период пост председателя комитета ВСНХ и следивший за развитием советской науки, предлагал развернуть в стране проект по исследованию контролируемых термоядерных реакций.
История советского термоядерного проекта не обошлась без забавного факта. Будущего знаменитого академика и создателя водородной бомбы Андрея Дмитриевича Сахарова натолкнуло на идею магнитной термоизоляции высокотемпературной плазмы письмо простого солдата — срочника. В 1950 году служивший на Сахалине сержант Олег Лаврентьев направил в Центральный комитет Всесоюзной коммунистической партии письмо, в котором предложил использовать в водородной бомбе дейтерид лития-6 вместо сжиженного дейтерия и трития, а также создать систему с электростатическим удержанием горячей плазмы для осуществления управляемого термоядерного синтеза. Письмо попало на отзыв к тогда еще молодому ученому Андрею Сахарову, который в своем отзыве написал, что «считает необходимым детальное обсуждение проекта товарища Лаврентьева».
Уже к октябрю 1950 года Андрей Сахаров и его коллега Игорь Тамм сделали первые оценки магнитного термоядерного реактора (МТР). В 1951 году вышло постановление Совета министров СССР, согласно которому проблемой МТР должна была заняться Лаборатория измерительных приборов (ЛИПАН), в настоящее время это НИЦ «Курчатовский институт». Режим секретности привел к тому, что даже после смены вектора исследований с военного на гражданский внутри ЛИПАНа никто, кроме небольшой группы исследователей, не знал, чем занимаются в новом здании Бюро электрических приборов, стоящем недалеко от корпуса Отдела электроаппаратуры (ОЭА), где разрабатывались методы электромагнитного разделения изотопов для наработки материала для атомных бомб. А работа по УТС продвигалась очень быстро. Андрей Сахаров придумал способ удержания горячей плазмы в тороидальной камере с сильным продольным магнитным полем. Чтобы компенсировать тороидальный дрейф заряженных частиц предлагалось наряду с тороидальным магнитным полем создать еще и полоидальное магнитное поле. Этого можно было достичь, пропуская электрический ток по кольцевому проводнику, помещенному внутрь плазмы, или возбуждая продольный ток в самой плазме с помощью наружной обмотки ваккумной камеры. Андрей Сахаров также предложил применить медный кожух для создания равновесия по большому радиусу. Первая тороидальная установка с сильным продольным магнитным полем, основанная на идеях И. Тамма и А. Сахарова, была построена в 1955 году в ЛИПАНе. Ее назвали ТМП – тор с магнитным полем.
Последующие установки уже назывались ТОКАМАК, по комбинации начальных слогов в словосочетании «ТОроидальная КАмера МАгнитная Катушка». В своем классическом варианте токамак представляет собой тороидальную 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. Для поддержания плазменного витка с током в нужном положении создается поперечное к плоскости витка магнитное поле. Ток в плазме выполняет и другую существенную роль – он осуществляет начальный омический нагрев плазмы, как любого проводника. Этот способ нагрева плазмы позволяет поднять ее температуру лишь до 20 — 25 миллионов градусов. Поэтому установку снабжают системами дополнительного нагрева плазмы до термоядерных температур.
С 1955 по 1966 годы в Курчатовском институте было построено 8 таких установок, на которых проводилась масса различных исследований. Ученые старались сформировать в токамаках плазму, раскалив газ водород до температуры в 100 миллионов градусов (в пять раз больше, чем в недрах Солнца), и удержать плазму магнитным полем, причем, долгое время. Все это должно привести к осуществлению термоядерной реакции синтеза ядер гелия из исходного сырья, изотопов водорода — дейтерия и трития. В итоге должна выделиться колоссальная энергия, гораздо больше той, что уходит на формирование плазмы.
Первоначальные исследовательские успехи на токамаках советские ученые старались не афишировать, но после того, как нашим физикам удалось нагреть плазму до температуры в один килоэлектронвольт, возникла необходимость продемонстрировать этот выдающийся результат всему миру. Поскольку это было кардинально новое достижение, то мало было об этом статью написать или сообщить на конференции. Надо было продемонстрировать, как говорится, вживую. Для этого в 1969 году для осуществления совместных российский-британских экспериментов на установке Т-3А в Москву прибыла группа ученых из Англии. Проведенные ими исследования доказали, что температура основной массы плазменного шнура на советской установке действительно достигает одного килоэлектронвольта.
После сообщения об этом научном успехе советских физиков, подтвержденном авторитетными британскими учеными, в мире начался настоящий бум строительства токамаков. 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 страны – СССР, Великобритания и США вели негласное соревнование, кто первым сумеет обуздать плазму и фактически начать производство энергии «из воды». Дело в том, что запасы дейтерия в океанах, омывающих сушу, практически неисчерпаемы. Это означает, что термоядерная электростанция никогда не будет испытывать дефицита топлива. Содержание лития в земной коре в 200 раз больше, чем урана. При непрерывной работе реактора в течение одного года с термоядерной мощностью 500 МВт потребление трития из внешних источников составит всего 20 килограмм.
Важнейший плюс термоядерного реактора — снижение радиационной биологической опасности примерно в тысячу раз в сравнении со всеми современными атомными энергореакторами. Термоядерный реактор не выбрасывает СО2 и не нарабатывает «тяжелые» радиоактивные отходы. Этот реактор можно устанавливать где угодно, практически в любом месте. Дело в том, что ему присуща так называемся внутренняя безопасность, ведь при любом существенном повреждении реактора плазма просто исчезает.
Шаг длиной в полвека
В 1985 Евгений Велихов от имени СССР предложил ученым Европы, США и Японии вместе создать термоядерный реактор, и уже в 1986 году в Женеве было достигнуто соглашение о проектировании установки, получившей в дальнейшем имя ИТЭР. В 1992 году партнеры подписали четырехстороннее соглашение о разработке инженерного проекта реактора. Первый этап строительства по плану должен завершиться к 2020 году, когда запланировано получить первую плазму. В 2011 году проект «перешел Рубикон», и на площадке началось реальное строительство.
Схема ИТЭРа повторяет классический российский токамак, разработанный еще в 1960-х годах. Новым в проекте является как раз 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 реактора, а также система воспроизводства трития.
Реактор ИТЭР не зря называют энергетическим будущим человечества. Во-первых, это крупнейший мировой научный проект, ведь на территории Франции его строят практически всем миром: участвуют ЕС+Швейцария, Китай, Индия, Япония, Южная Корея, Россия и США. Соглашение о сооружении установки было подписано в 2006 году. Страны Европы вносят около 50% объема финансирования проекта, на долю России приходится примерно 10% от общей суммы, которые будут инвестированы в форме высокотехнологичного оборудования. Но самый главный вклад нашей страны — сама технология токамака, легшая в основу реактора ИТЭР.
Во-вторых, это будет первая крупномасштабная попытка использовать для получения электроэнергии термоядерную реакцию, которая происходит на Солнце. В-третьих, эта научная работа должна принести вполне практические плоды, и к концу века мир ожидает появления первого прототипа коммерческой термоядерной электростанции.
Ученые предполагают, что первую плазму на международном экспериментальном термоядерном реакторе удастся получить в ноябре 2020 года. И тогда, при удачных результатах, по оценкам ученых человечеству никогда не будет грозить энергетический голод.
Почему такой реактор стали строить буквально всем мировым научным сообществом? Ведь есть же успешные национальные проекты, к примеру, в России, США, Китае, Индии и Японии. Дело в том, что многие технологии, которые планируется использовать при возведении ИТЭРа, не принадлежат сразу всем странам. Не может одно, даже самое высокоразвитое в научно-техническом плане государство иметь сразу сотню технологий высшего мирового уровня во всех областях техники, применяемой в таком высокотехнологичном и прорывном проекте, как термоядерный реактор.
А ведь ИТЭР – это сотни подобных технологий. Россия по многим технологиям термоядерного синтеза превосходит общемировой уровень. Но, к примеру, и японские атомщики также обладают уникальными компетенциями в этой области, вполне применимыми в ИТЭРе. Поэтому еще в самом начале проекта страны-партнеры пришли к договоренностям о том, кто и что будет поставлять на площадку, и что это должна быть не просто кооперация в инжиниринге, а возможность для каждого из партнеров получить новые технологии от других участников, чтобы в будущем развивать их у себя самостоятельно.
Так, Россия взяла на себя обязательство произвести два десятка систем для международного реактора. К примеру, в нашей стране изготавливается 100% верхних патрубков для ИТЭР. Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры имени Д. В. Ефремова (НИИЭФА) создает верхние патрубки вакуумной камеpы и центральную сборку дивеpтоpа, системы электpопитания, элементы первой стенки будущей установки. Основным российским поставщиком сверхпроводящих материалов для международного термоядерного реактора является Чепецкий механический завод, входящий в Топливную компанию Росатома «ТВЭЛ».
Для ИТЭР отечественные атомщики должны поставить около 20% сверхпроводящих стрендов. Конечно, производство сверхпроводников есть и в других странах, но в России, несмотря на все исторические сложности, оно на данный момент является наиболее удовлетворяющим проект ИТЭР.
Еще одна технология, в которой мы бесспорные лидеры, это производство из бериллия первой стенки термоядерного реактора. Той самой, что смотрит непосредственно на плазму и принимает на себя все излучение, «летящее» от плазмы. Россия должна изготовить 40% этого элемента ИТЭРа. Решают данную задачу в НИИЭФА и ОАО «НИКИЭТ им. Н.А. Доллежаля».
Россия также создает девять систем диагностики для ИТЭРа. НИЦ «Курчатовский институт» разрабатывает систему рефлектрометрии плазмы, которая по зондирующему излучению, вводимому в плазму и отражаемому от разных ее слоев, обеспечит получение информации о профиле электронной плотности и разных неустойчивостях, которые развиваются в плазме.
Еще один ведущий российский научный центр, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, разрабатывает еще одну систему диагностики — спектрометрию атомов перезарядки, вылетающих из плазмы. По спектрам атомов перезарядки ученые восстанавливают функцию распределения ионов плазмы, что позволяет измерить относительную концентрацию изотопов водорода в плазме, что очень важно для процесса управления горением в плазме.
Материальный вклад каждой страны-партнера проекта составляет около 10% от общей стоимости проекта. Однако очевидно, что научная доля России в ИТЭРе гораздо выше.
Завершая эту историю, я хочу сказать несколько слов о том, что даст России участие в проекте Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР). С одной стороны, технология реактора российская, и таким образом еще раз будет признан научный приоритет нашей страны в перспективном направлении. С другой стороны, сотрудничество в ИТЭРе приведет к развитию в нашей стране передовых промышленных технологий. И самое главное, мы получим энергореактор будущего и созданную на его базе электростанцию, что позволит решить глобальную задачу обеспечения нашей страны энергией на необозримое будущее.
Автор: Андрей Ретингер
