Зачем России французский токамак?

Согласно теории энергоэволюционизма, которую писатель Михаил Веллер популяризировал в своих книгах «Всё о жизни» и «Человек в системе», человечество всегда стремилось к максимальным действиям, максимальным преобразованиям всего того, что его окружает, как к максимальному созиданию, так и к максимальному разрушению. Но это предполагает максимально возможное преобразование энергии, разумеется, доступной человеку по мере развития им технологий. От эпохи к эпохе количество преобразованной энергии только росло, и чем ближе к современности, тем быстрее. По экспертным оценкам мировое потребление энергии к 2030 году должно увеличиться ещё на 50%. Однако согласно распространённой точке зрения, человечеству, рано или поздно, придётся готовиться к окончанию эпохи использования ископаемых видов горючего – нефти, угля и газа, запасы которых, дескать, не вечны, а урон экологии от их сжигания и переработки огромен.

Сегодня используются и альтернативные источники энергии, но все они имеют свои минусы, не позволяющие пока вытеснить углеводороды. Так, например, солнечная энергетика может развиваться только в южных солнечных странах, скажем, на Аравийском полуострове, в Сахаре, ветряная также зависит климатических зон и погодных условий, гидроэлектростанции хоть и работают повсюду, но о повышении уровня производимой ими энергии речи не идёт. Считается, что и запасы дешевого урана для АЭС также могут закончиться в ближайшие пятьдесят лет. Правда, в атомной энергетике рассматриваются перспективы использования других материалов вместо урана, например, редкоземельного радиоактивного химического элемента тория, который в свободном виде, однако, в природе не встречается. Реакторы на тории, в которых при реакции должно образовываться больше тория, чем исходного урана, позволили бы повысить количество производимой энергии в 40 раз. Плутониевые установки на быстрых нейтронах обеспечили бы производство энергии в 60 раз больше урановых реакторов. Вместе с тем, взоры учёных обращены к источнику почти неиссякаемой энергии – термоядерной. Рассмотрим её подробнее.

Процесс термоядерного синтеза протекает в звёздах. Давление вследствие гравитации и температура в них настолько велики, что там – уверены физики – происходит слияние ядер лёгких элементов, таких как водород, и образуются ядра других, более тяжёлых веществ. Процесс сопровождается выделением большого количества энергии. Но создать такую плотность для прессовки ядер на Земле технологически не представляется возможным. Остается лишь наращивать температуру – отсюда и прилагательное «термоядерный», означающее, что речь идёт о высокой температуре (от греческого «терме» – жар, жара). Энергия может выделяться, как при их делении (расщеплении) ядер, таки и при их слиянии (синтезе). При делении атомов энергия высвобождается за счет расщепления тяжелых ядер на более легкие, а при обратном процессе – термоядерном синтезе – при слиянии легких атомных ядер в более тяжёлые. В последнем случае это возможно только при сверхвысоких температурах и сопровождается выделением колоссальной энергии, порядка в 10 млн. раз большим, чем при химических реакциях. Поэтому идея найти способ, чтобы овладеть такой энергией, приручить её, сделать доступной и управляемой всегда волновала умы учёных. Но как воспроизвести подобный источник энергии в земных условиях, сделать его технологически реализуемым, экономически целесообразным, экологически безопасным, широко доступным и устойчиво управляемым?

Применяемые сегодня технологии ядерной энергетики на АЭС основаны на реакции распада тяжёлых ядер. Но действующие атомные станции не в полной мере отвечают только что перечисленным критериям, они весьма уязвимы и небезопасны, как показали трагедии Чернобыля, Фукусимы и прочих аварий на АЭС, у которых самым уязвимым компонентом является система охлаждения реактора. В термоядерных реакторах – успокаивают разработчики общественность и свои правительства – охлаждать реактор не нужно, основная забота заключается в том, чтобы он не остывал. В случае неполадок течение реакции синтеза прекращается сама собой, поэтому такой реактор, якобы, полностью безопасен для человека и экологии.

Но АЭС лишь отчасти обеспечивают мировые потребности в электроэнергии, а топливом для них служат радиоактивные элементы уран и торий, запасы которых на Земле ограничены и не всем странам доступны. Главным же компонентом термоядерного топлива выступают изотопы водорода дейтерий, которого полным-полно в морской воде и тритий. Правда, есть одно «но». Если дейтерий содержится практически в любой воде, т.е. его запасы можно полагать неограниченными, то мировые запасы трития составляют максимум десятки килограммов из-за его периода полураспада, равному примерно 12 годам. Неудивительно, что стоимость одного килограмма трития на мировом рынке составляет порядка 30 млн. долларов (на 2010 год). Дело в том, что в промышленных объёмах тритий приходится получать искусственно на энергетических атомных реакторах. Для понимания ситуации: по состоянию на сентябрь 2014 года мировые запасы трития составили около 20 кг, а его потребление – около 7 кг. Ещё около 4 кг трития в год образуется на АЭС попутно, но не извлекается.

Пока управляемый термоядерный синтез удавался экспериментаторам лишь краткосрочно, от долей миллисекунд до пары секунд, и только в лабораторных условиях. Но при всех таких экспериментах расходовалось энергии больше, чем производилось в результате самой реакции. Тем не менее, сторонники развития этого вида энергетики настаивают, что будущее именно за термоядерными реакторами. Ведь они в качестве топлива используют изотопы водорода, которых на земле гораздо больше, нежели углеводородов или урана. О дейтерии сказано выше, а тритий можно получать из лития, запасы которого значительно превышают урановые. По мере развития технологии их получения, они станут дешевле, что повлечет за собой существенное снижение цен на саму энергию. Это один из аргументов разработчиков технологии при работе с общественностью. Следующий довод – экологичность и радиационная безопасность. Но истина в том, что радиоактивность и в таком реакторе всё-таки имеет место, хотя количество радиоактивных веществ, как утверждается, незначительно. Источниками радиоактивного загрязнения могут стать: сам тритий как радиоактивный изотоп водорода; наведённая радиоактивность в материалах установки в результате облучения нейтронами; радиоактивная пыль, образующаяся в результате воздействия плазмы на первую стенку тора; радиоактивные продукты коррозии, которые могут образовываться в системе охлаждения.

История создания реактора управляемого термоядерного синтеза (УТС)

Чтобы изотопы водорода выделили энергию своих ядер, необходима температура в 150 млн. градусов, то есть в десять раз выше, чем на Солнце. Ни один твердый материал не сможет выдержать такую температуру, непосредственно контактируя с ней. Решение проблемы учёные увидели в создании магнитного поля особой конфигурации, которое должно удерживать плазму, не давая ей контактировать со стенками реактора. Особую форму полю придаёт форма тора – пустотелого бублика или спасательного круга, так называемая тороидальная камера с магнитными катушками вокруг неё, сокращённо «токамак». Благодаря первенству СССР в этой области слово, перекочевало в другие языки мира в виде заимствования, как «миг», «калашников» и «спутник». Теперь токамаками во всём мире называют реакторы УТС, построенные на таком принципе. Термоядерные реакции были открыты ещё в 20-х годах прошлого века. Но идея создания устройства для их проведения в 1948 году посетила молодую голову Олега Лаврентьева – никому неизвестного на тот момент паренька, успевшего повоевать за освобождение Прибалтики и проходившему срочную службу на Сахалине. Самородок с семью классами образования за плечами увлекался физикой как любитель, выписывал, читал спецлитературу. В мае 1949 года, закончив три класса за год, получил аттестат зрелости. В 1950 году помогло командование части: наш очередной ломоносов секретной почтой отправил свои письменные наработки, в которых сформулировал принцип термоизоляции плазмы электростатическим полем, в отдел тяжелого машиностроения ЦК ВКР(б) . На их основе А.Д. Сахаров и И.Е.Тамм провели расчеты, детальные исследования и предложили схему магнитного термоядерного реактора. Всё это вместе и стало прообразом токамака.

Суть идеи: вакуумная камера в виде тора, из которой сначала откачивается воздух, а затем её заполняют смесью дейтерия и трития, окружается сверхпроводящими электромагнитами, которые создают в ней, соответственно, тороидальное магнитное поле очень высокой напряженности. Чтобы разогреть плазму до необходимой температуры, с помощью магнитного поля возбуждается электрический ток. Поле не дает заряженным частицам покидать пределы плазмы, находящейся в сжатом и перекрученном виде, отсюда и образный термин – «плазменный шнур». Но высвобождающиеся во время реакции синтеза нейтроны магнитным полем не задерживаются и передают свою энергию внутренним стенкам камеры – бланкету, который охлаждается водой. Образующийся в результате этого пар можно направить на турбину генератора, как в обычных электростанциях.

Но плазма существует при строго определенных условиях, и при их малейшем отклонении от них реакция немедленно прекращается. Таким образом, в отличие от современных реакторов на АЭС, токамак не может неконтролируемо наращивать температуру. Отсюда и его несоизмерима большая безопасность. Единственный продукт реакции синтеза – гелий – не является парниковым газом и пригоден для дальнейшего использования в различных целях. Такому реактору не требуется много горючего: расчетный годовой запас топлива для промышленной электростанции составляет всего 250 кг.

Помимо России токамаки классической схемы строились  в США, Европе, Японии, Китае. В них, в принципе, удавалось создать высокотемпературную плазму. Однако постройка промышленного реактора, способного отдавать больше энергии, чем потреблять, – задача принципиально иного масштаба, на которую замахнулся сразу целый ряд стран в рамках международного проекта ITER, локализованного на юге Франции в 60-ти километрах севернее Марселя в близи города Кадараш (фр. Cadarache).

Международный проект ITER

Главная задача проекта ITER (от англ. International Thermonuclear Experimental Reactor – Международный термоядерный экспериментальный реактор) заключается в осуществлении управляемой термоядерной реакции синтеза в промышленных масштабах, демонстрации возможности коммерческого использования таких реакторов, а также в решении физических и технологических проблем, которые могут встретиться на этом пути. Например, для ITER не планируется производство трития в целях собственного потребления – организация будет закупать для работы реактора тритий в течение всех лет его работы. Для запуска реактора потребуется как минимум около 3 кг трития, ITER рассчитан именно на это топливо. Однако, для следующего токамака, DEMO, проблема воспроизводства топлива станет уже актуальной. Поэтому на ITER будут производиться эксперименты с получением трития. В частности, исходным топливом станут литий и вода. Литий – металл, широко используемый в аккумуляторных батарейках бытовых приборов. Природные запасы лития вполне достаточны для обеспечения технологических потребностей в течение сотен лет. Даже если его запасы в горных породах иссякнут, учёные надеются добывать его из воды, где он содержится в достаточно высокой концентрации, в 100 раз превосходящей концентрацию урана. Согласно расчётам учёных, даже если всю энергетику планеты в будущем перевести на токамаки, мировых запасов лития должно хватить на тысячу лет их эксплуатации. Разработчики эксперимента рассчитывают, что за счёт реакции нейтронов с литием тритий будет возникать внутри термоядерной установки в ходе управляемого термоядерного синтеза.

ITER не будет производить электроэнергию, напротив, постоянное потребление энергии его системами составит примерно 110 МВт, при пиковом потреблении до 620 МВт на период около 30 секунд во время зажигания плазмы. Для этого объект подключат к французской промышленной сети напряжением 400 киловольт и проведут к нему ЛЭП протяжённостью около километра. В качестве резервной системы электропитания будут установлены два дизельных генератора.

Реактор ITER является совместным проектом ЕС, Швейцарии, Японии, США, России, Южной Кореи, Китая и Индии. Строительство должно продлиться около десяти лет, после чего реактор предполагается использовать в течение 20-25 лет. Срок начала первых экспериментов с плазмой был первоначально намечен на 2019 год, а проведение полноценных опытов планировалось на март 2027 года.

Масштабы объекта впечатляют. Установка будет весить около 23 тысяч тонн. Её высота составит 73 метра, из которых 60 метров расположатся под землей. Основная платформа реактора по площади будет равна примерно 60 футбольным полям – 42 гектара идеально ровной поверхности. Общая смета строительства оценивается в 5 млрд. евро, еще столько же потребуется для опытной эксплуатации реактора. Доли участников распределены следующим образом: 45% приходится на ЕС, около 10% от общей стоимости на каждого из остальных участников.

Почему столько участников? До сих пор самым успешным токамаком признан JET, построенный ЕС в британском городке Эбингдоне. Это самый крупный из созданных на сегодня реакторов типа токамак, большой радиус плазменного тора составляет 2,96 м. Мощность термоядерной реакции достигает уже более 20 МВт при времени удержания до 10 секунд. Реактор возвращает около 40% энергии, затраченной на плазму. Но отношение затрачиваемой и получаемой энергии при нагреве плазмы в реакторе, по расчётам учёных, возрастает пропорционально квадрату линейных размеров установки, вследствие чего научно-технические возможности и преимущества таких установок могут быть проверены, дескать, лишь на крупных станциях. Одной стране такие расходы не потянуть. Кроме этого необходимо объединение интеллектуальных усилий и наработок, достигнутых в тех или иных государствах, ибо вклад участников не только финансовый, но и в виде выполнения работ, изготовления оборудования.

Любопытно, что в 1998 году США вышли из проекта, прекратив его финансирование, из-за чего было решено уменьшить мощность реактора с 1,5 ГВт. до 500 МВт, в результате внешний радиус плазменного тора был сокращен с 8,2 до 6,3 метра.

Вклад России в ITER

Широко известно, что Россия, опираясь на колоссальные научно-технические разработки Советского Союза – сегодня продолжает оставаться одним из лидеров гонки за термоядерными технологиями. Именно в СССР в 1955 году впервые появился прообраз термоядерного реактора ТМП (тор с магнитным полем), а затем уже в 1958 году полноценный токамак из нержавеющей стали – Т-1. В последующие годы создавался целый ряд других подобных установок: Т-3, Т-7, Т-10, Т-15. Сейчас мало кто вспоминает, что это начинание связано с именем И.В. Сталина. Его прозорливость позволила Советскому Союзу стать пионером в этой области науки. Ведь никто иной, как Сталин поддержал соответствующую инициативу О. Лавреньтева и учёных, подписав 5 мая 1951 года Постановление Совета Министров СССР, положившее начало первой в мире государственной программе термоядерных исследований. Весь цивилизованный мир бросился повторять опыт СССР после того, как в 1968 году на международной конференции МАГАТЭ в Новосибирске были предъявлены результаты исследований, полученные на токамаке Т-3, в частности, продемонстрированы удивившая всех высокая на тот момент температура электронов – более 10 млн. по Цельсию, и достаточно длительное время удержания плазмы. Эта научная сенсация не на шутку взволновала британских физиков, которые примчались в Курчатовский институт со своей измерительной аппаратурой, чтобы всё проверить и удостовериться в истинности достижения. Когда их аппаратура зафиксировала температуру плазмы, превышавшую ту, о которой сообщили в Новосибирске, все сомнения отпали.

Советский Союз удивил остальной мир не только этим. Первоначально исследования в области термояда были засекречены. Однако в 1956 году И.В. Курчатов выступил с инициативой рассекретить эти работы, что и было выполнено. В Советском Союзе первыми осознали, что, что подобные исследования не по плечу одной стране, даже такой как СССР: слишком они наукоемкие, дорогостоящие, для реализации таких проектов необходимы огромные коллективные усилия передовых ученых, инженеров, технологов.

Поскольку наша страна – пионер и один из мировых лидеров в области исследований термоядерного синтеза, то не случайно, что РФ является ключевым участником проекта ITER. Только в 2014 году Россия отчислила на этот проект 5 млрд. рублей, а в 2015 – еще 8 млрд. Лишь Россия и Китай на сегодняшний день полностью выполняют свои обязательства, в отличие от других участников. Основные поставки из России выпадают на 2016-2017 гг. РФ участвует в сооружении всех основных конструкций, изготавливает сверхпроводники, создаёт системы испытаний и диагностики: нейтронно-лучевой анализатор, анализатор нейтральных частиц, алмазные детекторы для вертикальной нейтронной камеры и пр. В проекте задействованы 30 российских предприятий и организаций, большинство из которых – дочерние предприятия «Росатома». Всего Россия обязалась для ITER изготовить и поставить в срок 25 систем.

Для чего это России?

Считается, что в обмен на поставки компонентов реактора и финансирование его строительства каждая из стран-участниц на равноправной основе получит полный доступ ко всем технологиям создания термоядерного реактора, а также к результатам всех экспериментов, которые лягут в основу проектирования серийных энергетических термоядерных реакторов в будущем. Сторонники ITER настаивают, что участие в проекте даст серьёзный толчок не только отечественной науке, но и экономике страны, в целом, поскольку позволит выйти на качественно новый уровень технологий и производств.

Критика проекта ITER

По амбициозности проект ITER является самым значительным исследовательским проектом современности, по размаху строительства он превзойдёт Большой адронный коллайдер (CERN), а в случае успеха будет сопоставим с лунными программами.

Но на фоне всеобщего восторга с периферии дискуссий доносятся и робкие голоса скептиков. Робкие, скорее всего, потому, что критики рискуют быть зачисленными в ряды узколобых ретроградов, не способных пронзить мыслью всю глубину возможных достижений, заглянуть за горизонты современной науки из-за узости своего мышления. Тем не менее, рассмотрим характерные точки зрения.

Наиболее радикальные мнения сводятся к тому, что токамаки – тупиковый путь развития, что они не годятся для получения УТС по причине принципиальной неустойчивости плазмы, которая «выскальзывает» из магнитного поля, и рассеивается, теряя температуру и плотность. Главный аргумент: если в течение 60 лет нет осязаемого положительного результата, значит выбранный способ решения задачи – создание управляемого термоядерного реактора – пустая фантазия. Другие утверждают, что такой гигантский реактор как ITER вовсе не нужен, мол, есть менее масштабные, но не менее, если не более, перспективные термоядерные проекты. Например, американцы разрабатывают реактор, в котором магнитное поле создаёт электрический ток, проходящий непосредственно через плазму. Так что дорогостоящие катушки как на токамаках, по их мнению, вовсе не нужны. Такое решение существенно, якобы, удешевляет реактор. Впрочем, ещё в 50-х годах в Принстоне был предложен и иной способ магнитного удержания плазмы в устройстве, названном «стелларатор». В нем плазма удерживается магнитными полями, созданными только внешними проводниками, в отличие от токамака, где весомый вклад в создание конфигурации поля привносит ток, текущий по самой плазме.

Собственно, стремлением равноправно овладеть технологиями объясняется международная кооперация в проекте. Независимо от того, кто, чем и как занимался – разработкой или производством конкретной детали или конструкции – созданные технологии станут общим достоянием всех стран-участниц, которые смогут распоряжаться ими по своему усмотрению. К России никаких претензий, наша страна самая обязательная и дисциплинированная в этом проекте, а вот европейцы, мягко выражаясь, не все справляются со своими обязательствами в срок. Здравый юридический смысл вынуждает задаваться вопросами о справедливости равного доступа к плодам такого сотрудничества.

Самое распространённое обвинений в адрес разработчиков термоядерной энергетики – это то, что её практическое воплощение сравнимо с «достижением» горизонта – сколько ни двигайся в его сторону, он не приближается. На этот счёт любит шутить даже сам академик Велихов – одна из центральных фигур проекта ITER. В ходу даже такие анекдоты: физики твёрдо заверяют: «Практическое применение термоядерного синтеза начнется через тридцать лет, и этот срок точно никогда не изменится». Аналогичный анекдот приписывают академику Алфёрову, кстати, нобелевскому лауреату. Одного из ведущих ученых в области термоядерного синтеза спросили, когда он, наконец, намерен получить положительный результат. Тот ответил: «Через 10 лет». Прошло 10 лет, его вновь спросили: «Результата нет, а вы обещали через 10 лет. Когда же?» Он опять ответил, что через 10 лет. Спустя годы ему напомнили: «Вы же и 10 лет назад твердили то же самое». Тот, не смущаясь: «А я свое мнение не меняю». Остаётся надеяться, что эти анекдоты не станут реальностью проекта ITER. Шутки шутками, но первоначальная оценочная стоимость проекта возросла с 5 до 16 млрд. евро, а плановый первый запуск, связанный с получением первой плазмы, перенесён с 2010 на 2020 год. Отсюда слышны призывы выйти по примеру США из этого международного проекта и сконцентрироваться на своих, национальных. Ведь помимо международных, в России инициирован и реализуется целый ряд перспективных проектов, таких как, Т-10 и Т-15. Реактор Т-15 проходит стадию технологической модернизации и планируется к запуску в 2018 году. Бюджет данного проекта – около 2,5 млрд. рублей. Осуществляется российско-итальянский проект реактора IGNITOR, который будет намного меньше в размерах и по стоимости, чем ITER. Огромный реактор «Байкал» такого же типа планируется разместить на площадке токамака ТРИНИТИ в Троицке. Россия участвует в аналогичных проектах в Казахстане. В этой связи некоторые умы будоражит вопрос: Если в России в сфере термояда полным ходом и вполне успешно реализуются не только национальные проекты, но и с международным участием, зачем нашей стране понадобился ещё и Кадараш с такими проблемными партнёрами, неужели тех же результатов невозможно достичь у себя дома за меньшие деньги?

Противники технологии УТС

Не следует также сбрасывать со счетов, что восторг могут разделять далеко не все. Так, в настоящее время основой мировой экономики всё ещё являются углеводороды: нефть, газ, уголь. От цен на них зависят курсы валют, международные отношения и общий уровень жизни населения планеты. Вполне уместно допустить, что воротилы нефтегазового бизнеса, вряд ли откажутся от своих доходов и власти и будут с воодушевлением наблюдать, как весь мир переходит на альтернативные источники энергии. Случайно ли до сих пор не создаются серийные широкодоступные автомобили на водородном топливе? Случайно ли то и дело появляются сообщения, что нефть не только не заканчивается, а, напротив, её объёмы лишь увеличиваются на рынке энергетических ресурсов и её цена скоро сравняется со стоимостью питьевой воды? Термоядерный синтез, дескать, дело отдалённого будущего и предмет интереса лишь узкого круга специалистов, профессиональная деятельность которых связана с термоядерной энергетикой, и им просто требуется бесперебойное финансирование.

Те, кто считает проекты по УТС в виде токамаков ошибочным направлением, ссылаются на мнение самого И.В.Курчатов, который полагал, что только комбинация термоядерной и ядерной энергетики – так называемая гибридная энергетика – сулит осязаемый успех. Имеется проект гибридного реактора, т.е. сочетающего обе технологии – расщепление тяжелых ядер и синтез легких. Он не требует сверхвысоких температур и давления, эффективен в энергоотдаче, оставляет значительно меньше долгоживущих высокорадиоактивных отходов, требующих надежного захоронения на десятки и сотни тысяч лет. Кроме того, гибридный реактор мог бы работать не на уране, а на тории, который не только дешевле урана, но и его природных запасов в пять раз больше. И, наконец, гибридный реактор был бы значительно безопаснее в эксплуатации, чем существующие на сегодняшний день.

Встречается и критика безопасности будущих термоядерных электростанций, если таковые удастся, вообще, создать. Суть аргументов сводится к следующему. При слиянии дейтерия и трития на киловатт мощности образуется в несколько раз больше нейтронов, чем в обычном ядерном реакторе. Причем эти нейтроны будут гораздо более энергичными, порождая гораздо больше активированных изотопов в окружающей конструкции. Если не найти решений по утилизации этого нейтронного потока, то радиационный потенциал активации конструкций ТЯЭС проиграет АЭС.