Термоядерный синтез давно будоражит умы. В теории, такие электростанции могут быть вчетверо эффективнее современных атомных, при этом гораздо чище и безопаснее. У них нет проблем с неконтролируемыми цепными реакциями и сильно радиоактивными отходами, а топливом может служить морская вода.
Над многомиллиардным проектом работают: ЕС (46% расходов), США, Россия, Индия, Китай, Южная Корея и Япония (каждая – по 9%). Если обойдется без очередных задержек и проблем с финансированием, то ITER заработает уже в конце 2025 – сорок лет спустя переговоров Рональда Рейгана и Михаила Горбачева в Женеве.
Настоящее Время рассказывает об истории, настоящем и будущем уникального проекта в области термоядерного синтеза.
Как это работает
Термоядерная энергетика пытается скопировать процессы, которые происходят внутри звезд: там, при сверхвысоких температурах и давлении, сливаются ядра изотопов водорода и выделяют огромную энергию.
Чтобы достичь этого на Земле, необходимы особые условия (например, температура в 10 раз большая, чем в ядре Солнца) – их создают в термоядерном реакторе. В его основе, по крайней мере, по самой распространенной схеме, которую использует ITER – токамак, по форме напоминающая бублик вакуумная камера с магнитными катушками. Первые токамаки появились в СССР еще в 1960-х, для ITER построят самый большой токамак в мире объемом 830 м3.
В токамак запускают дейтерий и тритий, и разогревают до температур свыше 150 миллионов градусов Цельсия. Газ превращается в плазму, а чтобы плазма такой температуры не сожгла все вокруг, ее удерживают на расстоянии от стенок магнитным полем; через саму плазму пропускают ток. Мощное магнитное поле обеспечивают, в свою очередь, сверхпроводящие магниты, которые нужно охладить в вакуумной камере до практически абсолютного нуля – 268°C. Физически же они будут находиться буквально в полуметре от раскаленной до 150 000 000°C плазмы. Обеспечить беспроблемную работу техники в таких условиях -- сложнейшая инженерная задача.
Современные токамаки выделяют меньше энергии, чем расходуется на нагрев системы, для генерации их пока приспособить не получается. Лучший результат – у британского JET, который возвращает до 67% затраченной энергии. За счет масштаба конструкции ITER (это будет громадина высотой с девятиэтажный дом, и примерно такого же диаметра), создатели рассчитывают, что реактор сможет выделять энергии в десять раз больше, чем расходуется на нагрев плазмы (отдавать 500 МВт с 50 МВт). Этот момент – принципиальный для построения термоядерных электростанций в будущем.
Но ITER не будет производить электричество: вся выделенная энергия уйдет лишь на нагрев стенок токамака. Хотя если эксперименты с ITER пройдут успешно, следующим этапом (с 2030 года) станет прототип термоядерного реактора для электростанций, DEMO – они должны появиться в 2040-50-х годах. О желании построить такие реакторы заявили Индия, Россия, Южная Корея и Япония.
Важнейшая цель ITER – показать возможность генерации энергии термоядерным реактором. Для этого необходимо будет обеспечить управляемое производство "горящей плазмы" (с ней реакция синтеза будет самоподдерживающейся) и достичь самовоспроизводства трития, достаточно редкого изотопа использующегося в качестве топлива. Кроме того ITER должен продемонстрировать, насколько готовы современные технологии к строительству коммерческих термоядерных электростанций, а также позволит оценить их надежность и безопасность.
Безопасность – одно из ключевых преимуществ термоядерных реакторов над привычными ядерными. Здесь невозможна цепная реакция с последствиями: в случае проблем плазма мгновенно остынет и затухнет, отмечают в ITER.
Куда лучше обстоят дела и с радиоактивностью топлива: тритий, слабый источник бета-излучения, будет генерироваться прямо в реакторе. Конструкция реактора при этом предполагает несколько барьеров для возникающих в процессе работы радиоактивных веществ. Период полураспада радиоактивных отходов для большинства изотопов в термоядерном реакторе составляет около 10 лет, тогда как для отдельных компонентов отработанного ядерного топлива эти значения могут составлять тысячи и даже миллионы лет.
С нуля до 63%
В ноябре 1985 года на встрече в Женеве лидеры США и СССР договорились о совместном исследовании термоядерной энергии в мирных целях – это и стало началом проекта. Уже через год был Евроатом, СССР, США и Японией подписали договор.
Работа над конструкцией ITER началась в 1988 году и продолжалась до утверждения финальной версии в 2001-м.
В 2003 году к консорциуму для работы над ITER присоединились Китай и Южная Корея, в 2005-м – Индия. Тогда же выбрали и место для строительства: окрестности Сен-Поль-ле-Дюранс в Провансе, Франция, близ научно-исследовательского центра ядерной энергетики Кадараш.
Межгосударственное соглашение о создании ITER подписали министры стран-участниц 21 ноября 2006 года, а в октябре 2007 начала работу организация ITER Organization – юридическое лицо, ответственное за строительство, работу и последующий демонтаж реактора.
Площадку начали готовить еще в 2007-м, строить – в 2010-м. Параллельно страны-участницы стали работать над элементами комплекса ITER: Индия строит для проекта криостат, в США разрабатывают центральную магнитную катушку (ее силы хватит чтобы поднять авианосец ), ЕС и Корея готовят вакуумную камеру, Китай с Россией поставляют сверхпроводники (всего понадобится 100 000 км таких проводников), часть катушек и различные электротехнические компоненты, Япония готовит катушки тороидального поля.
По состоянию на конец июня 2019 года проект был готов "более чем на 63%", отмечали в ITER Organization. Завершены более 70% зданий, началась установка первых компонентов самого реактора. Полноценно фаза монтажа должна начаться в следующем году, по мере постройки и доставки всех необходимых компонентов: например, Китай 23-го сентября построил первую 400-тонную магнитную катушку, ее доставят на место строительства ITER к декабрю.
По сложности и технологичности ITER превосходит многие масштабные научные стройки века, в том числе Большой адронный коллайдер.
"Коллайдер – это всего лишь вакуумная установка, в которой ускоряется пучок протонов, это задача более простого уровня. ITER – это физика плазмы, а плазма – это столько степеней свободы, столько неустойчивостей, со всеми ними надо справиться, – рассказал Радио Свобода глава российского агентства проекта ITER Анатолий Красильников. – С точки зрения большого количества параметров, которые надо одновременно учитывать, ITER, конечно, намного более сложная проблема, чем коллайдер. Ну и ITER подороже".
Столь сложный международный проект на базе передовых технологий действительно дорог. Если на старте бюджет проекта оценивался в €5 млрд, то к 2017-му он уже успел перешагнуть отметку в €20 млрд: общую цифру сложно оценить, так как правительства сами определяют уровень расходов на те или иные компоненты, ими производимые. Участники проекта перечисляют не деньги, а передают построенные компоненты. В российском бюджете на ITER в 2020-22 годах заложили 11,8 млрд рублей (около $180 млн).
Не только ITER
Бублик-токомак – не единственный вариант для термоядерного синтеза, рассматриваемый наукой. Альтернативные способы изучают не только в крупных государственных учреждениях, но и в небольших стартапах. Их сейчас в мире, по оценкам Bloomberg, больше двух десятков. Однако пока о крупных прорывах и контролируемом производстве энергии в коммерческих масштабах пока говорить не приходится.
Ближайший аналог токомака – стелларатор, также торообразная, "бубликоподобная" система, при всем своем сходстве не требующая поддерживать в плазме ток. У подобной установки свои плюсы и минусы, самая крупная и успешная на данный момент – немецкая Wendelstein 7-Х. На ней немецкие исследователи установили ряд рекордов, хотя по характеристикам и масштабу до ITER ей далеко.
Стартап Commonwealth Fusion Systems, основанный выходцами из MIT, обещает построить гораздо меньший, более дешевый, при этом ненамного менее эффективный, чем ITER, реактор на токомаке – SPARC. Как это им удастся? Ученые надеются применить новейшие высокотемпературные сверхпроводники и собираются показать решения уже в ближайшие два года.
Еще один нестандартный вариант – термоядерный синтез с инерционным удержанием. В нем используются лазеры, со всех сторон "обжимающие" и нагревающие миниатюрную топливную капсулу дейтерия импульсами, имитируя процессы, происходящие при взрыве водородной бомбы. Крупнейшая в мире научная организация, применяющая этот подход – Национальный центр зажигания (National Ignition Facility) в США, там для этих целей используют 193 пучка мощных лазеров.
Канадская General Fusion и американская Tri Alpha Energy используют собственные, еще более экзотические способы термоядерного синтеза но увы, до сих пор готовых к коммерческой эксплуатации решений пока никто не представил.
Зачем и когда?
Критики считают, что термоядерный синтез – слишком дорогое и коммерчески неэффективное предприятие, а вкладывать призывают, например, в возобновляемую энергетику. В ITER не отрицают ее важности, но подчеркивают, что создание новых чистых источников энергии с постоянным уровнем генерации (не зависящем, скажем, от числа солнечных дней или силы ветра), остается важной задачей. Термоядерная энергия не заменит возобновляемую, но будет вместе с ней служить еще более удачной альтернативой традиционным "грязным" источникам энергии, считают в ITER.
Вопрос только когда это произойдет. Первый пуск запланирован на декабрь 2025 ("лучшая технически достижимая датой"”) с использованием водорода, далее будет добавляться гелий, дейтерий и наконец полноценная работа на дейтерии-тритии планируется в 2035-м: лишь тогда можно будет достичь десятикратной отдачи по мощности. Даты завершения проекта уже сдвигались, и с учетом его сложности навряд ли можно быть уверенным, что не случится новых задержек. К тому же, несмотря на все попытки, на нынешнем этапе развития технологий термоядерный синтез может оказаться чересчур дорогим для промышленного применения.
Скептики ехидничают, что "термояд – источник энергии будущего, и всегда останется таковым". Уже через несколько лет человечество сможет остудить пыл скептиков или вновь подкрепить их позиции.
Учитывая сложность темы, навряд ли кто-то готов гарантировать сроки в подобных проектах. Один из пионеров отрасли, советский академик Лев Арцимович, на вопрос о том, когда же появится термоядерная энергетика, отвечал просто: "Тогда, когда она станет действительно необходима человечеству".