Приручить искусственное солнце: когда наступит эра термояда

В начале февраля британская лаборатория JET установила новый мировой рекорд по мощности термоядерной реакции, выработав 59 мегаджоулей энергии – вдвое больше, чем во время предыдущего рекорда в 1997 году. Исследования в области термоядерного синтеза идут с середины XX века, и до сих пор он остается сугубо научной технологией. Однако в последние годы темпы строительства экспериментальных реакторов – токамаков – ускоряются. «Профиль» с помощью экспертов выяснил, когда термоядерная энергетика станет реальностью.

• Как работает термоядерный реактор
• Почему надежды на скорое внедрение термояда не сбылись
• Почему начали строить международный реактор ИТЭР
• За счет чего возможен прорыв в термоядерных исследованиях
• Почему ИТЭР все-таки необходим

Как работает термоядерный реактор

Термоядерный синтез – базовый физический процесс во Вселенной, благодаря которому образовались химические элементы. Он происходит внутри звезд: сила гравитации толкает атомы водорода (самого легкого элемента) к ядру звезды, под воздействием высокой температуры и давления они сталкиваются и объединяются, образуя атомы гелия. При этом высвобождается огромное количество энергии. (Атомный реактор работает на противоположном принципе: энергия добывается за счет расщепления ядер тяжелых радиоактивных элементов.)

В начале 1950-х человечество овладело неуправляемым термоядерным синтезом, создав водородную бомбу. Можно ли произвести контролируемый «взрыв», поставить природу на службу мирным целям? Этим вопросом задались советские физики Олег Лаврентьев, Андрей Сахаров, Игорь Тамм, Игорь Курчатов (самоотверженные поиски их поколения воспеты в фильме «Девять дней одного года»). В СССР был разработан самый популярный тип термоядерного реактора – токамак (тороидальная камера с магнитными катушками).

Его принцип заключается в следующем. В вакуумную камеру закачивают ионизированные частицы водорода (точнее, его изотопов – дейтерия и трития), которые нагревают до десятков миллионов градусов Цельсия. Это горячее, чем на Солнце, ядро которого имеет температуру 15 млн градусов. В результате газ превращается в плазму, которая удерживается электромагнитным полем. Если ядра водорода удается сблизить на 10^-14 метра, они сливаются в гелий, выделяя энергию.

Эксперименты с нагревом плазмы проводили и на Западе, но наши токамаки показывали лучшие результаты (11,6 млн градусов на токамаке Т3) – такие, что ведущий американский ядерщик Лайман Спитцер отказывался в них верить. Пришлось пригласить в СССР делегацию британских ученых, которые в 1968 году засвидетельствовали достижения советских коллег, и затем в мире начался бум токамакостроения. Всего было построено около 300 подобных установок, а слово «токамак» вошло в языки мира, как спутник и матрешка.

Почему надежды на скорое внедрение термояда не сбылись

Если на теоретическом уровне процесс понятен, то его инженерная реализация доставляет немало хлопот: нужно изготовить реактор из особых материалов, которые не расплавятся при нагреве, предусмотреть системы диагностики и охлаждения. Для осуществления реакции необходимо одновременно выполнить три критерия – достичь определенной температуры (свыше 100 млн градусов), плотности (10^-14 м) и как можно более длительного горения плазмы.

Последнее оказалось самым трудным: плазма – нестабильное состояние вещества, удержать ее в равновесном состоянии удается буквально на секунды. Постепенно прогресс идет: экспериментируя, ученые выявляют статистические закономерности между параметрами плазмы, и с 1975 по 1995 год время ее жизни увеличилось примерно в 100 млн раз.

Но на пути коммерческого использования токамаков лежит еще один барьер: благодаря синтезу нужно получить больше энергии, чем ушло на нагрев водорода. Два исторических рекорда по мощности дейтериево-тритиевой (D-T) реакции не сумели этот барьер преодолеть. В 1995 году американский токамак TFTR выдал 11 МВт термоядерной мощности, «отбив» лишь 25% затраченных ресурсов. В 1997-м британский JET (крупнейший из работающих сегодня токамаков) произвел почти 17 МВт энергии – КПД составил 67%.

Почему начали строить международный реактор ИТЭР

«После этого стало понятно, что надо увеличивать размер плазмы – только так можно достичь высоких температур и плотности, большего времени удержания энергии. Только когда выход энергии будет положительным, можно будет сказать, что у человечества есть термоядерный реактор. В итоге было принято решение строить международный большой токамак ИТЭР», – рассказывает «Профилю» директор учреждения госкорпорации «Росатом» «Проектный центр ИТЭР» Анатолий Красильников.

Это, без преувеличения, проект века. Гигантская конструкция (радиус – 10 метров, высота – 30 метров) создается на юге Франции при сотрудничестве 35 стран. Основных партнеров семь: Евросоюз (45% участия), Китай, Корея, Индия, Россия, Япония и США (по 9%). Причем участие выражено не в деньгах: каждой стране отведен определенный фронт работ. Например, Россия отвечает за поставку электротехнического оборудования (магниты, устройства нагрева, бланкеты).

На ИТЭР планируется достигнуть беспрецедентных масштабов D-T реакции: температура – 300 млн градусов, плотность ядер – 10^-14 м, длительность – 1000 секунд. В итоге будет затрачено 50 МВт энергии, а получено 500 МВт: по расчетам все сходится, но их нужно проверить на практике.

Эпохальная задача реализуется на широкую ногу: первоначальная смета оценивалась в 5 млрд евро, к 2015 году она выросла до 19 млрд. Сколько же всего затрачено с учетом создания локальных токамаков, где тестируются отдельные параметры ИТЭР, посчитать практически невозможно: неофициальные оценки достигают 40–60 млрд евро.

Строительство реактора официально стартовало в 2007 году, к 2020-му здание было готово и начался монтаж оборудования. В 2025 году предполагается получить первую плазму.

«Сначала будет короткий разряд, ученые продемонстрируют, что они построили машину, – описывает Красильников. – Первая плазма будет водородной, потом гелиевой, потом дейтериевой. Только в 2035 году запланировано получение дейтериево-тритиевой плазмы. Нужно к этому подготовиться, научиться создавать разряды, при которых только добавление трития приведет к выделению энергии мощностью 500 МВт, потому что тритий – крайне дорогое вещество. Фактически еще 10 лет реактор будет достраиваться, налаживаться и оптимизироваться».

При этом на ИТЭР не ставится задача преобразования термоядерной энергии в электрическую или тепловую. Реактор лишь станет инструментом проверки гипотез, первый же опыт коммерческого применения термояда запланирован в электростанции DEMO (DEMOnstration Power Station) – ее размеры будут еще на 15% больше, чем у ИТЭР. Участники проекта договорились соорудить ее к 2050 году.

Между тем со времени проектирования ИТЭР технологии ушли вперед.

За счет чего возможен прорыв в термоядерных исследованиях

Появились высокотемпературные сверхпроводящие (ВТСП) магниты, которые за счет редкоземельного оксида бария-меди создают значительно более мощное магнитное поле. Следовательно, уже нет необходимости увеличивать размер плазмы для повышения индукции. Это открыло путь к компактным токамакам: если у ИТЭР большой радиус вакуумной камеры составляет 6,2 метра, а малый – 2 метра, то у большинства новых установок эти параметры примерно равны 2 и 0,6 метра соответственно.

Таковы, например, азиатские токамаки, отметившиеся рядом нашумевших в прессе рекордов. Корейский KSTAR получил первую плазму в 2008 году, в 2018-м удержал температуру 100 млн градусов в течение 1,5 секунды, а спустя два года – уже в течение 20 секунд. Появившийся одновременно с ним китайский EAST летом 2021 года держал разогретую до 120 млн градусов плазму на протяжении 101 секунды. А в начале этого года «похвастал» еще одним достижением: 70 млн градусов и 1000 секунд.

Эти параметры все равно ниже тех, которых планируется достигнуть на ИТЭР (кроме того, с осторожностью нужно относиться к заявлениям о «безубыточной» реакции: в качестве топлива китайцы используют дейтерий с водородом, а не каноническую пару D-T). Но, судя по дальнейшим планам разработок, ясно, что электростанцию DEMO в 2050 году никто ждать не собирается. В Китае, например, в 2020 году запущен токамак HL-2M: он служит прототипом для промышленного реактора CFETR, ввод которого запланирован на 2030-е годы. А к середине века КНР рассчитывает начать полномасштабную эксплуатацию термояда, утверждает South China Morning Post.

В США объединение национальных академий NASEM в 2018 году опубликовало доклад, призвавший не ограничиваться участием в проекте ИТЭР, а «разработать планы, чтобы извлечь выгоду из своих инвестиций в плазменную физику». В 2020-м соответствующий план был обнародован: построить термоядерную электростанцию мощностью 50 МВт к 2040 году, затратив на нее относительно скромные $5-6 млрд. По мысли NASEM, это позволит США обойти конкурентов из Азии и Европы.

Почти одновременно власти Великобритании утвердили проект компактного реактора STEP (Spherical Tokamak for Energy Production). Его ввод также запланирован на 2040 год, на реализацию выделено 400 млн фунтов.

Стоит отметить, что новое поколение токамаков отличается не только сверхпроводниками. Немаловажен прогресс в ИТ-сфере: новые установки моделируются на суперкомпьютерах, строительство «в бетоне» начинается после того, как отточен виртуальный двойник устройства. Примером может служить немецкий стелларатор (установка для магнитного удержания, имеющая другую по сравнению с токамаком форму) Wendelstein 7-Х, запущенный в 2015 году: цифровое проектирование обеспечило высокую точность сборки, и сразу после начала работы ученые получили желаемые параметры плазмы, что редкость для столь сложного оборудования.

Но и это не решающая причина ускорения исследований. Собеседники «Профиля» выделяют организационный аспект. «ИТЭР – огромная кооперация, – говорит руководитель пресс-службы «Проектного центра ИТЭР» Александр Петров. – Только с российской стороны задействованы порядка 35 научно-исследовательских институтов и предприятий. Где-то изготавливается оснастка, где-то – диагностические комплексы, где-то идет напыление материалов. Эти системы очень взаимозависимы, в том числе на уровне стран. Если одна страна по каким-то причинам не справляется, то остальные вынуждены ждать ее или помогать. Например, в Японии после аварии на «Фукусиме» все усилия были сосредоточены на устранении последствий, и другие участники проекта пришли на выручку».

«В 1970–1980-х была острая конкуренция по термояду между СССР и США, – вспоминает Анатолий Красильников. – Это приводило к тому, что у нас каждые два года строился новый токамак. Люди торопились, работали ночами, на опережение графиков. Проект ИТЭР, с одной стороны, всех объединил. Но минус в том, что пропала конкуренция. Идет большая цепочка согласований, а у стран-участников разная ментальность, формы принятия решений. Мы, Россия, запланировали дату и стараемся успеть. Американцы тоже привыкли к соперничеству. А другие нации больше считают деньги, оценивают риски, и в итоге сроки едут «вправо». Например, европейские партнеры работают небыстро. Но у них самая большая доля в проекте».

Когда определялась скорость сооружения ИТЭР, не было иного варианта, как делать его дорогим и общим, подчеркивает Красильников: «Ни одна страна в одиночку не потянула бы такой реактор. Но проекты на ВТСП дешевле: при уменьшении размеров камеры вчетверо ее стоимость падает в 65 раз. Тут уже сроки определяются политической волей конкретной страны».

Почему ИТЭР все-таки необходим

Хотя проект ИТЭР в некоторых аспектах может показаться устаревшим, нельзя отрицать его роль в истории науки. По словам Анатолия Красильникова, благодаря ИТЭР создана технологическая платформа для будущего реакторостроения. «Вакуумная камера, первая стенка, технологии дополнительного нагрева, тритиевые технологии… – перечисляет он. – Когда ИТЭР проектировался, эти решения существовали только на бумаге. А сейчас они доведены до промышленной реализации».

Вторая миссия ИТЭР – исследования физики плазмы. «В мире до сих пор нет ни одной установки, где плазма поддерживает себя продуктами термоядерных реакций, которые сама же генерирует. Вы можете сколько угодно излагать на бумаге свои ожидания, но в науке важна экспериментальная проверка. ИТЭР ее проведет. Да, новые токамаки могут быть изготовлены быстрее и дешевле, но для этого нужно знать физические законы», – отмечает эксперт.

Несмотря на конкуренцию стран и компаний, международное ядерное сообщество едино: свободно перетекают знания, преподаватели, студенты. Благодаря ИТЭР оно живет и пополняется уже 30 лет. Политическое значение проекта тоже не следует преуменьшать, уверяет Александр Петров: «ИТЭР объединяет страны, в которых живет больше половины населения Земли, – это даже более глобальное сотрудничество, чем МКС. При этом проект реактора аполитичен, какие бы ни были трения между странами, на работе это не сказывается. Ведущие державы научились идти сообща, преодолевая культурные и дипломатические препятствия».