Классный журнал

Андрей
Аникеев

Дейтерий, тритий и токамак

Кто-то из больших ученых сказал, что термоядерной энергетикой люди овладеют в полной мере тогда, когда им это понадобится. В подсознании обывателя, у нас сегодня достаточно газа, нефти, угля, урана. Вероятнее всего, прямо сейчас общество не готово к термоядерной энергетике, поэтому термояд спокойно развивается в научных лабораториях. Но думаю, что с термоядом может случиться такая же история, как с космосом: человечество вступит в гонку технологий. Скорее всего, сейчас мы как раз входим в такую фазу, когда некоторые страны будут пытаться монетизировать свои достижения в этой области, внедрив их в промышленность. Думаю, уже в 30-х нас ожидает череда громких научно-технических рекордов в термоядерной энергетике — эта гонка уже началась между Россией, США, Китаем и Европой. А где-то к 2050 году одна из стран сделает демонстрационный энергетический термоядерный реактор. Кто это будет? Поживем — увидим. Главное, не повторить историю Аргентины, когда в 1950-х они заявили, что создали ядерный реактор. Позже выяснилось, что деньги, выделенные на разработку, потрачены, а реактора нет. Но вернемся к термоядерной энергетике.
 

Когда демонстрационная установка будет создана, экономисты начнут калькуляцию — сколько будет стоить 1 кВт•ч в устройстве. В итоге победит тот, кто предложит более дешевую энергетику. Нужно отметить, что в термоядерном реакторе топливо не самая главная статья расхода. Все потому, что топливом для термоядерного реактора являются изотопы водорода: дейтерий и тритий. Дейтерий в достаточном количестве содержится в самой обычной воде. Например, в литре морской воды — примерно 0,03 грамма дейтерия. Тритий, в отличие от дейтерия, достаточно быстро распадается: всего за 12 лет его количество уменьшается вдвое. Этот срок физики называют периодом полураспада. В связи с этим он не встречается в природе, но может быть получен искусственно в цикле реакторной установки. Я очень люблю приводить такой популярный пример: в одном стакане морской воды энергии содержится столько же, сколько в десяти бочках бензина. Поэтому, как только мы овладеем технологией в полном объеме, мы навсегда забудем о проблемах с запасами топлива, так как в водах океана содержится потенциального топлива примерно на десять миллиардов лет, что примерно сравнимо с возрастом Вселенной. Это основное преимущество термоядерной энергии и причина, почему за ней все охотятся.

Так что же такое термоядерный синтез и почему страны готовы вступить в эту техническую гонку за право быть первыми?

Всем хорошо известно, что атомные станции и атомная энергетика в целом основаны на реакции ядерного деления, когда тяжелое ядро урана делится и в результате высвобождается энергия. Термоядерный синтез — это обратный процесс, когда два легких ядра соединяются, образуя более тяжелое ядро гелия и лишний нейтрон, но с гораздо большей энергией, чем при реакции деления, то есть чем в атомной энергетике.

Проблема в том, что соединить ядра дейтерия с тритием достаточно тяжело, так как они оба положительно заряжены. Для этого их нужно разогреть до очень высоких температур, причем в земных условиях температура должна быть в десять раз больше, чем на Солнце, то есть 100 миллионов градусов. В космосе термоядерный синтез — самое обычное и бытовое дело. И, когда мы говорим об энергии звезд, мы подразумеваем именно энергии термоядерного синтеза. Но звезда — очень массивный объект, и силами гравитационного притяжения сближение этих самых ядер возможно. Чего не скажешь о земных реалиях. У нас на Земле таких гравитационных полей нет, поэтому ученым приходится повышать температуру до максимальных значений, чтобы столкнуть эти два ядра. При этом, поскольку температура очень высокая, вещество переходит в четвертое состояние — плазму. Чтобы удержать такое горячее вещество, нужны специальные приспособления. И вот ученые предложили удерживать его с помощью магнитного поля, то есть магнитное поле изолирует раскаленную плазму от стенки и таким образом происходит термоизоляция. В начале эпохи становления управляемого термоядерного синтеза — в 50-х годах прошлого столетия — предлагались различные системы удержания. Одним из наиболее популярных примеров стало магнитное поле в виде бутылки с сильными магнитами-«пробками» на торцах, но в итоге выстрелила советская разработка. Ученые из Курчатовского института предложили вариант магнитного поля в виде бублика. Идею токамака как термоядерного реактора после головокружительного успеха 1968 года по нагреву плазмы на токамаке Т-3 подхватил весь мир, началась эра исследований с его применением. Слово «токамак» (русская аббревиатура слов «тороидальная камера с магнитными катушками») стало именем собственным во всех языках, таким же, как «спутник» или «балалайка». И это одно из величайших достижений наших ученых, наряду со спутником к примеру.

Однако в процессе разработки этой технологии ученые столкнулись с множеством трудностей. Кроме проблемы первой стенки и магнитного поля нужно было поднять температуру до 100 миллионов градусов. То есть была необходима система нагрева. Плазма — очень сложный объект с многими степенями свободы. И только сейчас, по прошествии почти четверти XXI столетия, исследователи подошли вплотную к реализации этой задачи. Решены основные фундаментальные проблемы: имеются системы нагрева, в лабораторных условиях доказана возможность существования термоядерного синтеза. Сейчас научное сообщество ведет борьбу за то, чтобы это было энергетически выгодно. То есть чтобы энергия, выделяемая в результате термоядерного синтеза, была больше, чем энергия, которая затрачена на нагрев и удержание плазмы. Сегодня эти показатели примерно равны.

В 90-е годы прошлого столетия российский академик Евгений Павлович Велихов предложил странам скооперироваться и построить большой реактор, на котором будет продемонстрировано существенное энергетическое превышение и так называемое зажигание. В альянс вошло более 20 стран: Россия, Китай, Евросоюз, Индия, США, Япония, Корея и дркгие. Назвали объединение ИТЭР. Сначала это была аббревиатура, а потом официально переименовали в ITER, что в переводе с латинского означает «путь». Путь к термояду! Красиво.

ITER — это своего рода Вавилонская башня, где все страны-участницы кроме денежных взносов приносят еще и что-то в натуральном виде, то есть какую-то часть установки. Основной задачей этого реактора, по задумке ученых, должен стать КПД (отношение выделяемой термоядерной мощности к мощности нагрева, или «фактор Q») больше пятерки. А целевая задача — Q=10. Дело в том, что при Q=5 наступает так называемый эффект зажигания, когда плазма начинает сама себя нагревать. То есть, когда Q переваливает через пятерку, нагрев «можно выключать», потому что она сама себя будет греть при определенных условиях. Поэтому, когда мы имеем Q=10, то мы заведомо понимаем, что все будет хорошо и даже можно снимать энергию. И вот ITER должен этот эффект продемонстрировать. Когда это случится, можно будет начинать строить электростанции. К реализации долго шли: долго занимались документацией, очень долго выбирали площадку. Безусловно, за право иметь такую станцию боролись все страны, потому что это решало бы многие экономические задачи. Россию тоже рассматривали — предлагалась площадка в Гатчине под Санкт-Петербургом, но в конце 90-х российская экономика была не в лучшем состоянии, и этот вариант отпал. В финале сражались Япония и Франция, и французы буквально одним голосом в плюс победили. В итоге станцию решили построить на юге Франции, в городе Кадараш.

Проект ITER сам по себе не столько научный, сколько политический с точки зрения договоренностей, поэтому он до сих пор жив и так долго функционирует. Изначально сроки запуска были запланированы на 20-е годы, но каждый год по разным причинам отодвигаются. Сейчас ориентируемся на середину 30-х годов, но скептики иронично улыбаются. Однако это, наверное, не так важно. Тут скорее большее значение имеет сам факт, что все страны сообща работают над большим проектом. Ведь согласно договоренностям ITER права на технологии и разработки, которые используются для создания этого реактора, принадлежат всем участникам проекта в полном объеме и в равной степени. То есть все имеют право пользоваться всем, но только для своих национальных термоядерных программ. Поэтому страны-участницы благодаря этому коллективизму очень сильно продвинулись вперед в области сверхпроводимости, электромагнитных катушек, первой стенки и так далее. Китай, к примеру, очень активно использует эти наработки и очень сильно нарастил свою термоядерную программу буквально за последнее десятилетие. Россия после долгого научного затишья тоже начинает активно использовать промышленные производства, оборудование, необходимое для строительства ITER, в интересах уже собственной национальной термоядерной программы.

В 2019 году вышло поручение Владимира Путина о формировании Российской термоядерной программы. Вскоре она была представлена президенту, а дальше встал вопрос о реализации и финансировании. И первым шагом к такой реализации стал федеральный проект «Разработка технологий управляемого термоядерного синтеза и инновационных плазменных технологий» в рамках комплексной программы «Развитие техники, технологий и научных исследований в области использования атомной энергии». Изначально программа была рассчитана до 2024 года, потом продлена до 2030-го. В настоящее время формируется новый национальный проект технологического суверенитета «Новые атомные и энергетические технологии», в рамках которого российская термоядерная программа получит продолжение в виде федерального проекта «Технологии термоядерной энергетики».

До 2024 года в термоядерную программу входило пять направлений. Первое — это разработка базовых термоядерных технологий. Это направление включало в себя модернизацию токамака Т-15МД в Курчатовском институте — недавно он заработал и уже показывает рекордные параметры удержания для российских токамаков. Они, конечно, по сравнению с крупнейшими токамаками мира еще не так хороши, но тем не менее отечественная машина у нас полноценная есть. Кроме того, есть токамак Т-11 в Троицком институте «Росатома», и на нем ведутся эксперименты как раз по взаимодействию плазмы с первой стенкой; ее защиты, включая жидкометаллические , это наша отечественная разработка. Вообще, защита первой стенки — это одна из насущных проблем ученых всего мира и, кстати, один из факторов очередной задержки запуска ITER лет на пять.

Далее, в рамках продления федерального проекта будут вторая и третья очереди модернизации Т-15МД с целью нарастить мощный нагрев. Полный нагрев на этой установке должен быть 20 МВт, а время удержания — составлять примерно 30 секунд. Этого достаточно для того, чтобы реализовать многие заложенные физические принципы. Кроме того, он сравнительно небольшой и представляет особый интерес. Потому что чем компактнее токамак, тем он выгоднее.

Второй, уже будущий, флагман нашей термоядерной программы — токамак с реакторными технологиями (ТРТ). В этом году заканчивается разработка эскизного проекта, далее техническое проектирование, техническая документация и старт стройки. Создаваться он будет в Троицком институте «Росатома», площадка уже полностью подготовлена. Этот токамак уникален тем, что его магнитная система будет создана на основе высокотемпературной сверхпроводимости. Для справки — сейчас все имеющиеся в мире крупные сверхпроводящие токамаки используют низкотемпературные сверхпроводники, и в ITER он тоже будет использован. Если все пойдет по плану, то наш ТРТ будет первым в мире сверхпроводящим токамаком, работающим на высокотемпературной сверхпроводимости. Ну или одним из первых… Преимущество тут в том, что высокотемпературная сверхпроводимость позволяет делать поле в токамаке 8 Тл и даже выше, у низкотемпературных сверхпроводников максимально достижимое поле — 6 Тл. Чем сильнее поле, тем более горячую и плотную плазму можно удерживать. Поэтому этот шаг перехода к более высоким магнитным полям очень важен.

Сейчас на первый план выходят новые отечественные технологии, которые мы можем использовать в сверхпроводящем токамаке. Все технологии для низкой температуры мы прошли, когда делали катушки для ITER, поэтому для нас не составит труда сделать еще один шаг к технологиям высокотемпературных лент. Кроме того, у нас работает частная российская компания, которая этим занимается, и более того, поставляет ленты в США. Второй, тоже важный, момент — у нас есть уникальная в Российской Федерации компетенция по системам нагрева. В Нижнем Новгороде на базе Института прикладной физики Российской академии наук компания ГИКОМ производит самые лучшие в мире гиротроны — устройства, позволяющие нагревать плазму с помощью СВЧ-лучей. К слову, эта же компания поставляет гиротроны для ITER и сейчас в рамках национальной термоядерной программы разрабатывает новые мощные гиротроны под ТРТ.

Кроме того, в Новосибирске в Институте ядерной физики им. Г. И. -Будкера работает команда, которая делает замечательные системы атомарной инжекции — это когда атомы водорода или дейтерия разгоняются почти до скорости света. Эти технологии тоже будут использованы в ТРТ. Компания активно работала с США до недавнего времени, продолжает сотрудничать с Китаем, и вот появилась возможность привлечь их к работе над отечественным ТРТ. Ну и разумеется, в России очень много команд, которые занимаются расчетами, — имеются теоретики советской закалки, выросло и продолжает набирать обороты молодое поколение, можно уверенно сказать, что научные школы живы. Это очень важно, особенно сейчас.

Фактически мы уже подошли к тому моменту, когда покажем Q больше единицы, Q>5, Q>10. И это уже означает, что следующий шаг должен быть технологическим. Для коммерческого использования интересна более компактная машина, и ТРТ будет как раз более компактным. Высокая эффективность также достигается за счет повышения магнитного поля: чем выше магнитное поле, тем более сильное давление мы можем создать в плазме. Чем сильнее мы держим плазму, тем сильнее можем ее внутри разогреть, сделать более плотной. Соответственно, больше термоядерной энергии получить. Вот на это и рассчитано все. Кроме того, сам по себе токамак — это экспериментальная, конечно, установка, не демонстрационная еще. Но тем не менее на ней нужно отработать в том числе взаимодействие плазмы со стенкой, все эти системы дополнительного нагрева, как они могут работать между собой, и так далее. Задач очень много для нее интересных.

Следующим шагом должен быть уже демореактор, прототип нормального термоядерного реактора. А вот дальше пути могут разделиться: кроме чисто термоядерного энергетического реактора может быть реализована и гибридная схема синтез-деления, и об этом говорили еще в СССР на заре термоядерных исследований. Достаточно иметь умеренный по параметрам реактор с Q порядка единицы, чтобы использовать образующиеся в ходе термоядерной реакции нейтроны очень высокой энергии для сжигания реактивных отходов — под мощным облучением не догоревшие в атомном реакторе долгоживущие реактивные отходы распадаются и становятся короткоживущими, которые можно уже спокойно захоранивать. При этом период их полураспада будет составлять какое-то обозримое количество лет.

Второй путь использования гибридной схемы реактора — это наработка топлива для тепловых атомных станций. Под облучением термоядерными нейтронами мы сможем получать топливо для атомных станций (деления) из мелкообогащенной руды либо тория, получать в них энергию, а отработанное топливо дожигать. Таким образом, уже умеренный термоядерный реактор может быть эффективно встроен в существующую сеть атомных станций. Я думаю, что в нашей стране как раз к середине этого века и будет разделение на две ветки. Потому что и чистый термояд с точки зрения нескончаемых запасов энергии, и гибридный термояд, который позволит уже сейчас замкнуть полностью топливный цикл, сделать атомную энергетику безопасной, полностью зеленой, экологичной, природоподобной, очень востребованы в современном мире.

Ну и есть еще, как я называю, полезная «шелуха». Это происходит с любой научной разработкой. Возьмем хотя бы интернет для примера: мы все заходим в мировую паутину интернета по протоколу HTTP, который был придуман во время работы над большим адронным коллайдером для того, чтобы быстро и без потерь обмениваться данными между достаточно удаленными серверами. Глубоко фундаментальная научная задача, а мы уже не мыслим жизни без интернета. И подобного рода прикладных решений, вызванных глубоко фундаментальными задачами, очень много в термояде. Сверхпроводимость, к примеру, может повлечь за собой революцию в транспорте: у нас появятся поезда и автомобили на магнитных подушках. Медицина! В томографах используют мощные магниты. Дальше, всевозможные нейтронные источники не только для замыкания ядерного топливного цикла, но и для создания всевозможных новых материалов и изотопов, в том числе и для медицины.

Далее, когда появится первая стенка, эти технологии можно использовать в космической промышленности, для всевозможных печей в металлургии и так далее. Кроме того, сама по себе плазма интересна. Плазменные процессы активно используются в металлообработке. На основе плазменных ускорителей создаются ракетные двигатели, которые пригодны для освоения дальнего космоса. И вот таких продуктов, очень важных, которые можно применить прямо сейчас в индустрии, очень много именно в термоядерном направлении.

При этом термоядерная энергия, как я уже говорил, абсолютно зеленая и безопасная. Если вдруг случится какая-нибудь коллизия, достаточно выключить рубильник магнитного поля. Магнитное поле исчезает, реакция прекращается сама собой. Кроме того, в реакции нет никаких радиоактивных отходов. Дальнейшие шаги по развитию термоядерной энергетики становятся еще более безопасными. В далеком будущем, думаю, мы придем к тому, что в термоядерной реакции не будет ни нейтронов, ни реактивных отходов. Стоишь рядом, греешься у термоядерного солнышка.

Наверное, еще нужно сказать о том, что в России ведется работа и над альтернативными системами удержания. Выше я рассказал подробно про токамаки, но до того, как Курчатовский институт «подсунул» миру бублик-токамак, научное сообщество увлекалось магнитными бутылками, то есть с открытыми ловушками. Их еще правильно называют «пробкотроны». Успешная активность по этим системам в рамках нашей программы сейчас идет в новосибирском Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера. Кстати, именно академик Герш Ицкович Будкер одновременно (но независимо) с американцем Ричардом Постом впервые предложил удерживать плазму в линейной ловушке с магнитными пробками (классический пробкотрон назван «пробкотрон Будкера—Поста»). Ученики и последователи Будкера, к которым я причисляю и себя, сейчас добились уникальных результатов в импульсных системах (длительностью до 0,03 секунды). В 2015 году они продемонстрировали высокие температуры на открытой ловушке, им удалось стабилизировать плазму уникальным методом в поперечном направлении и подавить потери плазмы в продольном. А далее необходимо продемонстрировать длительность. Надеюсь, у моих коллег в Новосибирске все получится. В рамках нашей термоядерной программы к 2030 году планируется построить новую установку, на которой будет 100 секунд удержания, сверхпроводящие катушки и мощная атомарная инжекция, дополнительный СВЧ- и ВЧ-нагрев. Фактически это будет прототип термоядерного реактора на основе ловушки с Q порядка единицы. Хочу заметить, что для целей гибридных реакторов, вернее термоядерных нейтронных источников большой мощности — сердца гибридной системы, очень хорошо подойдут именно открытые ловушки из-за естественной простоты их конструкции. То есть это направление будет развиваться параллельно основному (с токамаками). И это прекрасно, потому что у токамака при всех его плюсах есть одно существенное ограничение: отношение давления плазмы к давлению магнитного поля не может быть выше определенного порогового значения, что и приводит к необходимости увеличивать магнитное поле до предельных значений для повышения параметров плазмы. В открытых же ловушках такого предела нет. Есть еще совсем уникальная концепция линейной магнитной ловушки — у нее давление плазмы и вовсе превышает давление магнитного поля. Она как магнитный пузырь сама раздувается под давлением плазмы и сама начинает себя стабилизировать. И вот такие концепции позволяют нам делать следующий шаг, несмотря на некоторые сложности и ограничения. Сейчас открытыми ловушками в мире занимаемся только мы и несколько частных американских компаний, не так давно заинтересовались в Китае.

Сейчас и мышление ученых, руководителей проектов во многом поменялось: если раньше мы могли купить все, чего у нас не было, планируя проект, то теперь «всё купим» отпало. Теперь, начиная работу над проектом, мы должны учитывать в том числе и отрасли, которые необходимо развивать, чтобы этот проект случился. Причем это нужно рассчитать в рублях, в ученых, в инженерах, в строителях, в киловаттах, в мощностях промышленного производства. Приходится обучаться новому, и это тоже плюс, потому что развитие сугубо научных отраслевых направлений приводит в том числе к развитию смежных отраслей. Я точно знаю, что те критические технологии, которые необходимы для реализации термоядерного синтеза, прекрасно будут востребованы новой высокотехнологичной индустрией и самыми широкими слоями населения нашей страны. 


Колонка опубликована в журнале  "Русский пионер" №122. Все точки распространения в разделе "Журнальный киоск".