Управляемый термоядерный синтез часто ассоциируется скорее с фантастическими фильмами, чем с реальными научными разработками. Например, на термоядерном реакторе работал автомобиль DeLorean из трилогии «Назад в будущее» и космический корабль «Эндьюранс» из блокбастера «Интерстеллар». Тони Старк в фильмах Вселенной Marvel создал миниатюрный реактор, который служил источником питания для его костюма Железного человека.
В теории такие технологии могут заменить АЭС и двигатели внутреннего сгорания, но пока они ещё не созданы. Учёные всего мира готовятся сделать первый шаг в эру управляемого термоядерного синтеза — с помощью международного проекта ИТЭР.
О проекте и о том, сможем ли мы создавать «искусственные звёзды», рассказал руководитель пресс-службы Проектного центра ИТЭР госкорпорации «Росатом» Александр Петров.
Что такое ИТЭР и как началась его история
ИТЭР — это проект по разработке, строительству и запуску самого большого в мире реактора, работающего на основе термоядерного синтеза. Аббревиатура ITER расшифровывается как International Thermonuclear Experimental Reactor, то есть «международный термоядерный экспериментальный реактор».
Исследования в этой области начались в СССР более 60 лет назад. Первый экспериментальный реактор построили в 1954 году в Курчатовском институте в Москве. За последующие 50 лет похожие установки появились во множестве других стран, например в США, Китае и Франции.
Создание такого реактора требует не только больших материальных, но и интеллектуальных вложений. Поскольку энергетическая проблема актуальна для всех стран, возникла идея объединить ресурсы и лучших учёных.
Создать международный проект по изучению термоядерной энергии в 1985 году предложил Михаил Горбачёв по инициативе академика Евгения Велихова во время официального визита во Францию.
Президент Франции Франсуа Миттеран, а позднее, в том же году, президент США Рональд Рейган поддержали идею и решили совместными усилиями построить самый большой и мощный реактор. Это положило начало созданию ИТЭР. В 1992 году Россия, Евросоюз, США и Япония подписали соглашение и начали разработку теоретической части проекта.
«Сейчас в ИТЭР участвуют 35 стран, в которых проживает больше половины населения Земли. Это не только Россия, США и страны Евросоюза, но и Китай, Индия, Япония и Южная Корея».
Александр Петров, руководитель пресс-службы Проектного центра ИТЭР
Выбор места для строительства реактора, переговоры и теоретические расчёты заняли почти 15 лет. Строительство научного комплекса началось на юге Франции рядом с коммуной Сен-Поль-ле-Дюранс в 2007 году. Место было выбрано не случайно: неподалеку находится исследовательский центр ядерной энергетики Кадараш, а так же есть доступ к морю, по которому в ИТЭР доставляют грузы и компоненты для реактора. На момент публикации статьи большая часть работ уже проведена и монтируется основная установка. Будущий исследовательский центр ИТЭР займёт площадь в 180 га — это около 252 футбольных полей.
Одна из главных особенностей ИТЭР — принцип, по которому сотрудничают страны-участницы. Они не просто финансируют или рекламируют проект, а на своих предприятиях разрабатывают и изготавливают компоненты установки, которые затем поставляют на площадку и монтируют. Россия, например, ответственна за 25 сложнейших систем, в том числе сверхпроводник, элементы первой стенки и высокотехнологичные комплексы для дополнительного нагрева плазмы и многое другое. В реализации проекта с российской стороны участвуют ведущие предприятия «Росатома», Российской академии наук и других промышленных комплексов.
В таком же формате вносят свой вклад и другие страны-участницы. Например, огромные сектора вакуумной камеры делают в Южной Корее и Европе. Япония, Европа и Россия поставляют элементы дивертора будущей установки.
Такая модель сотрудничества, несмотря на сложную реализацию, выбрана не просто так. Благодаря ей все участники проекта получат доступ ко всем исследованиям и технологиям по разработке термоядерных реакторов такого масштаба.
Как устроен термоядерный реактор
Термоядерная реакция — это слияние ядер нескольких лёгких веществ в более тяжёлое, в результате чего высвобождается большое количество энергии. Но для того чтобы такая реакция в принципе стала возможной, нужно соблюсти ряд условий.
Согласно закону Кулона, одноимённо заряженные тела отталкиваются друг от друга, поэтому в обычных условиях слияния ядер не происходит. Для возникновения реакции им нужно преодолеть естественное электростатическое отталкивание — кулоновский барьер. Это возможно, если перевести вещества, участвующие в реакции, в состояние ионизированного газа — плазмы. Именно для этого и нужен термоядерный реактор.
Самая распространённая конструкция реактора для термоядерного синтеза представляет собой токамак. Это камера в форме тора (она похожа на бублик или пончик), вокруг которой расположены магнитные катушки.
Внутри камеры, где находятся ионы топлива, создаётся вакуум. В ИТЭР в качестве топлива для реактора планируют использовать изотопы водорода — дейтерий и тритий, которые относительно несложно добывать.
Установка будет разогревать ионы до очень высоких температур — около 300 млн °C, что в 15–20 раз выше температуры в солнечном ядре. При таких условиях ядра веществ смогут слиться друг с другом, в результате чего выделяется энергия. Магнитные установки, в свою очередь, стабилизируют плазму внутри камеры, чтобы она не соприкасалась с её стенками. Это нужно, чтобы герметичность реактора не нарушилась. Из какого бы материала ни был сделан «бублик», при соприкосновении со сверхгорячей плазмой он мгновенно испарится и реакция остановится.
У ИТЭР есть официальный сайт, где рассказывают про ход строительства и устройство токамака. Например, на этой странице есть интерактивная схема будущего реактора с пояснениями, для чего нужны его основные компоненты.
Почему термоядерный синтез — это так сложно
Самый большой естественный термоядерный реактор, который мы знаем, — это Солнце. Реакции на его поверхности происходят при температуре около 15 млн °C. Создать технологию, которая могла бы так же эффективно разогревать плазму, — непростая задача как с научной, так и с инженерной точек зрения.
Время, в течение которого плазма остаётся нагретой, тоже важно: чем дольше ядра будут соединяться друг с другом, тем больше энергии высвобождается. Современные установки могут запустить реакцию, которая длится максимум 1–1,5 минуты. Этого достаточно для научных исследований, но не для промышленного использования.
ИТЭР решит обе проблемы: он будет достаточно большим и мощным, чтобы не только нагревать плазму до нужной температуры, но и делать реакцию стабильной и долгой. Именно поэтому реактор имеет такие впечатляющие масштабы: высота установки будет достигать 30 метров, а объём плазмы внутри неё — 840 кубических метров. Это в 10 раз больше, чем размеры первого советского токамака, расположенного в Курчатовском институте.
Технологии и материалы, которые легли в основу проекта, не имеют аналогов в мире. После того как строительство будет окончено, начнутся масштабные научные исследования. Эта программа рассчитана как минимум на 10 лет поступательного наращивания мощности и проверки всех гипотез и расчётов, которые учёные сделали за последние 20 лет.
«ИТЭР — очень живой научный проект. За время подготовки и исследований много раз вносились корректировки, например подбирали более подходящие материалы для конструкционных элементов реактора. Сооружение установки — настолько сложный процесс потому, что технологии постоянно меняются и практически всё, что мы делаем в рамках ИТЭР, мы делаем впервые в истории».
Александр Петров, руководитель пресс-службы Проектного центра ИТЭР
Почему термоядерная энергетика может быть эффективнее, чем другие отрасли
Для термоядерного синтеза нужно совсем небольшое количество водородного топлива, которое можно добывать из обычной воды. Такой экономичный расход не только сделает энергию доступной, но и положительно повлияет на экологию. Вот несколько основных преимуществ термоядерных реакторов.
Доступное топливо. Для реакции в токамаке нужны изотопы водорода — тритий и дейтерий. Дейтерий — тяжёлый изотоп, который получают из обычной воды на химических производствах. Тритий — это радиоактивный изотоп водорода. В природе он образуется в верхних слоях атмосферы, а в промышленных масштабах его можно синтезировать из лития, которого в природе достаточно много.
Это значит, что, пока у нас есть доступ к Мировому океану, есть и возможность добывать топливо для термоядерных реакторов. Кроме этого, эти ресурсы не истощаются так же, как, например, полезные ископаемые — нефть, газ и уголь. Ещё реактор не будет зависеть от погодных условий, как солнечные батареи или ветряные электростанции.
Экономичность. Для запуска реакции в токамаке понадобится всего несколько грамм тритиево-дейтериевой смеси. Это в тысячи раз меньше, чем требуется для работы, например, тепловых электростанций. Энергоёмкость одного грамма термоядерного топлива сравнима с энергоёмкостью 8–10 галлонов нефти. Для сравнения: ТЭЦ могут расходовать до 2 млн галлонов нефти в год.
Эти показатели означают не только более экономичный расход топлива для термоядерных реакторов, но и очень маленькое количество отходов.
Более безопасная технология. Несмотря на то что тритий — это радиоактивный элемент, у него гораздо меньший период полураспада, чем, например, у урана. Также для трития не понадобятся полигоны для захоронения отходов производства.
Аварийные ситуации, подобные авариям на крупных АЭС, на термоядерных реакторах невозможны физически. Даже если стенки реактора соприкоснутся с плазмой и частично разрушатся, не произойдёт неконтролируемого взрыва или выброса вредных веществ в атмосферу. Единственное неприятное последствие — это выведение из строя установки и её дорогостоящий ремонт.
Зачем строить такой огромный и сложный реактор, если он нужен только для экспериментов
Благодаря использованию термоядерного синтеза в перспективе человечество сможет существенно снизить количество добываемых полезных ископаемых и уровень загрязнения атмосферы. Но на освоение технологии на таком уровне понадобится не один десяток лет. В более близкой перспективе возможно равномерное распределение нагрузки на разные отрасли — атомную, термоядерную и возобновляемые источники энергии. Это поможет каждой стране выбирать самые экономически выгодные и удобные для них источники энергии.
ИТЭР — это масштабный эксперимент, который поможет изучить и освоить применение термоядерных реакций. В будущем благодаря этим знаниям строительство реакторов с достаточной мощностью и добычу топлива можно будет поставить на поток. Это будет технологический скачок, подобный изобретению радио, электричества или автомобиля.
Но на внедрение любой технологии в повседневную жизнь нужны время и ресурсы. Первые авто собирали вручную, и только после испытаний производство автоматизировали и появились первые автомобильные заводы, которые росли и развивались на протяжении десятилетий. Благодаря этому сегодня приобрести автомобиль может практически любой желающий.
Возможно, в будущем все города мира будут питать именно термоядерные реакторы. Кроме этого, они могут стать основой для двигателей, предназначенных для длительных полётов в космос или работы крупных предприятий.
