Солнце в пончике

Наше термоядерное будущее среди лавандовых полей Прованса
Анастасия Филиппова    

Человечество давно мечтает зажечь Солнце на Земле — запустить термоядерный реактор. В случае успеха мир получит практически неисчерпаемый источник энергии. Самый амбициозный проект — строительство экспериментального реактора ИТЭР. «Кот Шрёдингера» рассказывает, как запихнуть десять Cолнц в 30-метровую камеру, что такое токамак и сколько российских специалистов работает над созданием этой штуки.

ИТЭР строится неподалёку от исследовательского центра ядерной энергетики «Кадараш» на юге Франции. Ближайший крупный город — Экс-ан-Прованс. Родина живописца Поля Сезанна, а в скором будущем, как надеются учёные, и колыбель новой энергетической революции.

Анастасия Филиппова
обозреватель газеты «Страна Росатом», Экс-ан-Прованс — Москва, специально для «КШ»

Добраться до Экса из Москвы непросто: сначала семичасовой перелёт с пересадкой до Марселя, потом получасовая поездка на автобусе. Но усталость от долгой дороги исчезает, как только видишь за окном автобуса горы, лавандовые и маковые поля, идиллические деревушки.

От Экса до ИТЭР ещё минут сорок на автобусе. Проходная выглядит довольно демократично по сравнению с российскими атомными предприятиями. Впрочем, гостевой пропуск мне дают в обмен на паспорт, так что сбежать из страны с секретами термояда вряд ли получится. У входа на площадку надеваю спецодежду, защитные очки, каску, резиновые сапоги — и наконец-то на стройке века.

42 гектара

размер специально подготовленной, идеально ровной платформы, на которой ведётся строительство ИТЭР. На этой территории поместятся 60 футбольных полей

Энергия звёзд на Земле

Наивный вопрос: почему светит Солнце? Варианты вроде «Потому что ему так хочется» или «Потому что это кому-нибудь нужно» не принимаются. Правильный ответ примерно такой: внутри звёзд при гигантских давлениях и температурах ядра лёгких элементов преодолевают отталкивание и сливаются воедино. В результате получаются более тяжёлый элемент и энергия.

Ещё в 1920 году британский физик Артур Эддингтон предположил, что в недрах звёзд из водорода синтезируется гелий, в результате чего высвобождается огромное количество энергии. Это термоядерный синтез.

Запустить на Земле управляемый термояд учёные пытаются уже более полувека. А точнее, с 1954 года, когда в Курчатовском институте построили первую в мире экспериментальную установку, название которой — токамак — стало международным и используется для обозначения целого класса устройств. В установке, напоминающей многослойный пончик, плазма удерживается магнитным полем. Она имеет форму тороидального шнура, то есть кольца, по которому пропущен электрический ток.

В середине 1950-х наши учёные не смогли достаточное время удерживать плазму в равновесном состоянии. Это удалось в 1968-м на советской же установке Т-3 — 20 миллисекунд при температуре плазмы около 10 миллионов градусов. После этого в мире начался бум токамаков.

Сегодня таких установок уже больше ста. Одна проблема: чтобы поддерживать термоядерную реакцию, нужно очень много энергии и особые условия, иначе она быстро затухает. Все установки потребляют энергии больше, чем выдают. На крупнейшем в мире действующем токамаке JET удалось получить 16 МВт при потраченных 24 МВт.

ИТЭР строят для того, чтобы доказать: термоядерный реактор способен выделять больше энергии, чем уходит на нагрев плазмы. Результатом эксперимента должна стать термоядерная реакция мощностью 500 МВт при потреблении в 50 МВт.

При этом токамак не загрязняет окружающую среду парниковыми газами, не производит высокоактивные долгоживущие ядерные отходы. Хорошая штука, только вот построить очень непросто.

История ИТЭР началась в 1985 году, когда СССР и США договорились о совместном строительстве экспериментального реактора. Позже к ним присоединились ещё пять партнёров: Евросоюз, Япония, Китай, Индия и Южная Корея.

Место для строительства выбрали в 2005 году после многолетних споров. За право реализовать проект на своей территории боролись Франция, Испания, Япония и Канада. В итоге остановились на Франции.

Токамак — вошедшее в другие языки русское сокращение, означающее «тороидальная камера с магнитными катушками».
Тор — это не только скандинавский бог, но и геометрическая фигура. Форму тора имеют сушки, пончики и бублики.

Шесть десятков метров под землёй

Охватить взглядом площадку ИТЭР можно только с высоты птичьего полёта: комплекс занимает примерно 180 гектар. Передвигаться по территории приходится на микроавтобусе. Проезжаем административные здания, пустые бассейны. Для охлаждения токамака их наполнят водой из Прованского канала, отведённого от реки Дюранс. А электроэнергия будет поступать с АЭС «Трикастен». Задача промышленной выработки энергии перед ИТЭР не стоит, всё тепло от термоядерной реакции будет сбрасываться в градирни.

Приближаемся к зданию токамака — оно уходит под землю на 60 метров и на 13 над ней возвышается. Снаружи его оборудуют биологической защитой от нейтронного излучения, а пока здесь царство бетона, арматуры, труб и устойчивый запах пыли.

Кстати, после окончания всех работ попасть в здание токамака будет нельзя. Контролировать происходящее внутри будут дистанционно — с помощью датчиков.

440 тыс. тонн

вес всего здания ИТЭР. Его фундамент стоит на 493 сваях с резино-металлическим антисейсмическим покрытием

Ловушка для плазмы: как это работает

Осматриваю площадку и параллельно вникаю в суть термоядерного синтеза. В качестве топлива в вакуумную камеру запускают газ, содержащий тяжёлые изотопы водорода: дейтерий и тритий. Затем через этот газ пропускают сильный электрический ток — формируется плазма объёмом 840 м3. С помощью электромагнитных волн плазма нагревается до 150 миллионов градусов — в 10 раз выше температуры солнечного ядра.

Под воздействием сверхвысоких температур дейтерий и тритий сливаются, и образуется гелий. Происходит термоядерная реакция, сопровождающаяся выбросом быстрых нейтронов. Затем нейтроны замедляются в бланкете и греют теплоноситель. Полученное тепло с помощью парогенератора, турбины и генератора переменного тока преобразуется в электричество.

— Конструкция токамака невероятно сложна. Попробуйте зажечь десять Солнц внутри вакуумной камеры, притом что в нескольких метрах от неё находится сверхпроводящая магнитная система с температурой, близкой к абсолютному нулю,—рассказывает Александр Алексеев, руководитель департамента инженерии токамака ИТЭР, приехавший из России.— Один из непростых моментов — точность изготовления секторов вакуумной камеры. Это множество сварных швов с минимальными допусками, а на выходе мы должны получить практически идеальную геометрию.

Укротить высокотемпературную плазму может только магнитная ловушка. Мощное магнитное поле, созданное сверхпроводящей электромагнитной системой (ЭМС), удерживает горячую плазму, придаёт ей форму и не даёт коснуться стенок вакуумной камеры. В противном случае реакция просто затухнет.

23 тыс. тонн

вес реактора. Он в три раза тяжелее Эйфелевой башни

ЭМС — одна из самых сложных и дорогостоящих систем ИТЭР. Её работа завязана на сверхпроводниках, используемых при изготовлении тороидальных и полоидальных катушек магнитного поля.

—Я курирую производство и приёмку сверхпроводников — мы почти закончили их изготовление, — рассказывает координатор магнитной системы в отделе сборки Владимир Тронза, тоже российский специалист.

Вот-вот начнётся сборка.

Владимир Тронза

А вдруг рванёт?

Глядя на масштабную стройку, задаюсь вопросом, насколько безопасна установка. Тритий — радиоактивный элемент, и если с термоядерным реактором что-то случится, сильно ли достанется бедной Европе?

После долгих объяснений инженеров и учёных понимаю: переживать не стоит. Период полураспада трития относительно небольшой — 12 лет. При этом выделяются бета-частицы, а не альфа-, как в случае с тяжёлыми элементами вроде урана. И поскольку энергия распада невелика, испускаемые электроны хорошо задерживаются даже с помощью одежды или резиновых перчаток.

Из-за низкой плотности плазмы в реакторе общее количество трития небольшое. Поэтому даже при гипотетической аварии с полным разрушением оболочки — самолёт ли упадёт на реактор, или случится разрушительное землетрясение, — эвакуировать не придётся даже жителей ближайших деревушек.

310 тонн

вес каждой из 18 тороидальных катушек. Это почти как полностью загруженный Boeing 747-300 — тот, который двухэтажный, с верхней и нижней палубами.

Иллюзии забыты

Строительство ИТЭР началось в 2007 году, а полномасштабные работы развернулись в 2010-м. Первую плазму планировали получить в 2016-м, но сроки серьёзно сдвинулись.

— Планы построить реактор за десять лет определённо были иллюзией, — признаёт гендиректор ИТЭР Бернар Биго, с которым мы встречаемся на строительной площадке.

Биго руководил Комиссариатом по атомной энергии Франции, а в 2015-м возглавил ИТЭР в ситуации, когда сроки строительства и поставок оборудования постоянно срывались. Тогда же утвердили и новый график, определив новый срок получения плазмы — 2025 год. А в 2035-м планируется поставить первый дейтериево-тритиевый эксперимент.

Сделать это тоже будет непросто. Стоимость проекта заметно возросла — с 5 до 22 млрд евро. К тому же в США после избрания Трампа активно обсуждают возможность выхода из проекта (в 1996 году Штаты уже покидали проект, но вернулись в 2003-м).

— Мы можем добиться успеха, только если все семь участников будут выполнять взятые на себя обязательства, — отмечает Биго. — В США заговорили о том, что финансовые интересы страны превыше всего и нужно выйти из многих соглашений о международном сотрудничестве. Это очень большой риск. Я поехал в США, встретился с представителями нового правительства, чтобы объяснить им всю важность проекта и их участия. По моему мнению, они не выйдут из ИТЭР. Вопрос в другом: выделят ли они достаточно ресурсов, чтобы выполнить свои обязательства по поставкам оборудования и финансированию? Вопрос пока не решён, но я сохраняю оптимизм.

Мозги для проекта

К счастью, наша страна из проекта выходить не собирается. Россия отвечает за создание, поставку и наладку 25 важных систем и компонентов ИТЭР. Например, в июне этого года российские специалисты официально завершили изготовление ниобий-титановых сверхпроводников. Мы изготавливаем одну из шести катушек полоидального магнитного поля, верхние патрубки вакуумной камеры, уникальные гиротроны, устройства коммутации тока и вывода энергии и много чего ещё.

Страны-участницы не только поставляют оборудование и технологии, но и отправляют на площадку своих учёных и инженеров. Квота на сотрудников соответствует вкладу в общее дело. У России она около 9%. Однако доля российских учёных на ИТЭР уже давно держится на уровне 4–5%. Во-первых, не все наши специалисты знают о такой возможности, во-вторых, зачастую они не владеют английским. Кроме того, не хватает опыта работы по западным техническим стандартам. Но эти препятствия, конечно, преодолимы.

— Мы публикуем списки нужных нам специалистов на годы вперёд, а выучить иностранный язык можно за полгода, — говорит Бернар Биго. — Нам нужны талантливые исследователи, а участие в проекте ИТЭР выгодно как для них самих, так и для России в целом. Вряд ли я доживу до того времени, когда энергия термоядерного синтеза будет использоваться повсеместно. Но я верю, что участие в проекте — уникальный шанс внести вклад в развитие технологий.

Препятствий нет

Мировой рекорд по удержанию высокотемпературной плазмы поставили в 2016 году физики, работающие на южнокорейском токамаке KSTAR. Они нагрели её до 50 миллионов градусов и удерживали в магнитном поле более 70 секунд. При этом их плазма была сформирована дейтерием и протием (тоже изотоп водорода — самый лёгкий, состоит из одного протона), но не тритием, необходимым для термоядерного синтеза.

Конечно, это прорыв, но чтобы приблизиться к удержанию плазмы в течение 1000 секунд, учёным ИТЭР ещё предстоит работать и работать. Пока цель — научиться удерживать плазму до 300 секунд.

Успех проекта зависит от того, насколько быстро удастся решить некоторые технологические и научные проблемы. Например, российские учёные работают над срывом плазмы — так называют резкое охлаждение топлива и выплеск его на стенку реактора, отчего она может расплавиться. Последствия — остановка реактора и многие месяцы ремонта. Учёные из Курчатовского института думают, как воздействовать на процесс, чтобы растянуть его во времени и более равномерно распределить по первой стенке, дабы смягчить последствия.

50 метров

высота реактора

Мировая кооперация

В декабре прошлого года Бернар Биго объявил, что на пути к первой плазме выполнено более половины работ. Одна из важнейших составляющих токамака — самая большая в мире вакуумная камера, в которой и будет запущена термоядерная реакция. Её делают по частям: за пять секторов отвечает Евросоюз, ещё за четыре — Южная Корея. Первый сектор корейцы должны доставить уже в начале 2019 года. Степень готовности элементов — от 11 до 81%.

В процессе изготовления находится 430-тонный криостат — изолирующий вакуумный сосуд 30 × 30 м, который будет служить барьером между токамаком и внешней средой. Его собирают и сваривают на площадке ИТЭР индийские специалисты. К июлю был собран нижний цилиндр криостата, завершается сборка основания. Многие компоненты реактора собирают в других странах. Среди них есть и те, которые из-за огромных размеров и веса невозможно перевозить по суше. Их доставят морем в ближайший порт, а оттуда повезут по специально подготовленной трассе протяжённостью 104 км. Самый тяжёлый груз, который предстоит принять, весит около 800 тонн.

Вроде бы всё идёт по плану и самое время ответить на главный вопрос: зачем же странам-участницам вкладывать в проект столько времени и сил? Ответ прост. Почти у всех партнёров есть национальные программы, основанные на термоядерных технологиях. И как только работоспособность этих технологий будет доказана на ИТЭР, начнётся революция в термоядерном синтезе — массовый запуск уже не экспериментальных, а промышленных термоядерных реакторов по всему миру. Участники ИТЭР окажутся в выигрышном положении, так как будут иметь полный доступ ко всем ноу-хау и технологиям. А это значит — к энергии.

55 %

так оценивался объём
проделанных на ИТЭР работ летом 2018 года

Источники

Спецномер научно-популярного журнала «Кот Шрёдингера», октябрь 2018

Иллюстрации

ITER Organization / iStock /