Зажечь солнце
Эволюция человечества напрямую связана с развитием технологий. Появление стали, огнестрельное оружие, паровая машина, электричество, двигатель внутреннего сгорания, энергия деления атома – каждое из этих открытий перелистывало очередную страницу мировой истории. Сегодня человечество стоит на пороге нового технологического скачка. Что такое термоядерный синтез, какие возможности заключены в этой технологии и что будет с углеводородами, сжигание которых лежит в основе современной энергетики? Обо всем этом мы поговорили с руководителем российского агентства ИТЭР Анатолием Красильниковым.
Расскажите, пожалуйста, в чем отличие термоядерной энергетики от технологий, лежащих в основе работы современных атомных станций?
В основе современной атомной энергетики лежит реакция деления. Когда нейтрон вступает в реакцию с тяжёлым ядром урана-235, ядро урана делится на две части, отсюда и название этого процесса – реакция деления. В результате одного акта деления нейтрона и урана-235 суммарно выделяется 200 мегаэлектронвольт энергии, которая затем и используется для производства электричества. Подобная технология была реализована передовыми в техническом отношении странами, такими как Советский Союз, США, рядом европейских стран, Китаем и Японией. Однако при таком подходе есть некоторые ограничения. Они связаны с необходимостью иметь доступ к урану-235, которого хоть и много на Земле, но его запасы всё же ограничены, а месторождения неравномерно распределены. Это является потенциальной причиной для возможных конфликтов между глобальными игроками за ресурсы. Локальность месторождения 235-го урана может влиять на политику отдельных государств. Второй минус – возникают радиационные отходы, их надо перерабатывать, о них надо думать, захоранивать. Это требует затраты значительных ресурсов, есть вопросы и с экологическими последствиями хранения ОЯТ.
Но есть и иные способы получения энергии, например термоядерный синтез. При термоядерной реакции происходит не деление, а синтез лёгких ядер в более тяжёлые. Главная реакция, которую мы сегодня рассматриваем как основную для реализации термоядерного синтеза, – это синтез двух изотопов водорода – дейтерия и трития. Тритий состоит из протона и двух нейтронов, а дейтерий из протона и одного нейтрона. Если эти две частицы сблизить, то между ними появляется ядерная сила взаимодействия, они притягиваются друг к другу и сливаются. Возникает ядро гелия-5. Оно метастабильно, тут же разваливается на нейтрон и альфа-частицу. В результате такой реакции синтеза, слияния дейтерия с тритием, выделяется 17,6 мегаэлектронвольт энергии в виде кинетической энергии движения нейтрона и альфа-частицы. Если мы сможем реализовать управляемую реакцию термоядерного синтеза и преобразовать кинетическую энергию заряженной альфа-частицы и незаряженного нейтрона в удобные для нас формы энергии – электричество и тепло, у нас в руках окажется термоядерный реактор.
Какие плюсы у термоядерного реактора по отношению ко всем другим источникам энергии и в том числе по отношению к атомной энергии?
Главный — это неисчерпаемость источника топлива. Дейтерий находится в воде Мирового океана в количестве, достаточном, чтобы извлекать его бесконечно. Соответствующие методики уже известны и разработаны, а технологически развитые страны имеют нелокализованные источники дейтерия как горючего для термоядерных исследований. Вторая частица, которая участвует в реакции – это тритий. Он нарабатывается в результате облучения на ядерных реакторах лития. Если литий облучить нейтронами, то получится тритий. В нашей стране это делается. Делается это в Канаде, в Корее и в других развитых странах. Все определяется технологическим развитием страны. Россия сегодня – технологически развитая страна, которая может и дейтерий добывать из Мирового океана, и получать тритий на ядерных реакторах. Поэтому у нас в руках неисчерпаемый и нелокализованный источник горючего. Также важно, что в будущем это топливо не станет поводом для потенциального конфликта между странами. И государства уже должны не вооруженные силы развивать, чтобы захватить то или другое месторождение, а науку и технологии. Если развили – у вас в руках этот источник энергии. С точки зрения горючего вот такое отличие от атомной энергетики.
За последние годы цены на энергоресурсы, такие как нефть, газ, уран, заметно упали, не говорит ли это о переизбытке топлива и будет ли востребована термоядерная энергетика в таких условиях?
С точки зрения обеспеченностью ресурсами все страны находятся в разном положении. Россия энергоресурсами очень богата. И у нас нет ощущения, что мы живем в эру энергетического дефицита. Но многие страны в ином положении. Например, Китай, Индия, страны ЕС. У них уже сегодня колоссальный дефицит энергии. А если говорить о перспективе, сегодня золотой миллиард, проживающий в США и в европейских странах, потребляет энергии на человека в 6–7 раз больше, чем в Индии или Китае. Про Африку я даже не говорю. Но сейчас идёт бурное развитие стран третьего мира, и они тоже захотят потреблять так же, как и золотой миллиард. А это значит, что им потребуются источники энергии. И здесь встает вопрос – какими они будут. Например, Китай сжигает много угля на ТЭЦ, из-за чего над их городами постоянно висит смог, что абсолютно неэкологично. Это не лучшее решение энергетической проблемы. Они это понимают и ищут новые источники, более экологически чистые и перспективные, такие как атомная и термоядерная энергетика. Страны, такие как Япония, Китай, Южная Корея, Европейский союз, участвуют в ИТЭР в первую очередь для того, чтобы решить свои проблемы с энергообеспечением.
Каковы перспективы строительства электростанций, использующих реакцию термоядерного синтеза?
Многие из сторон – участниц ИТЭР к 2040 году планируют сооружение прототипа термоядерного реактора, который мы называем Демо. Функция Демо – продемонстрировать работающую термоядерную электростанцию. Тогда как функция ИТЭР, который мы сегодня совместно строим, – показать, что удерживаемая термоядерная плазма реализуема и возможно получение термоядерной энергии в 10 раз больше, чем будет затрачено на нагрев плазмы. Такой результат продемонстрирует, что мы умеем термоядерную реакцию разжечь и удерживать в течение определенного времени. Задача Демо более сложная — продемонстрировать не только возможность удерживать плазму с термоядерными параметрами и управлять горением, но и преобразовать термоядерную энергию в электрический ток. Страны ЕС, Япония, Южная Корея, Китай планируют создать Демо-реактор уже к 2040 году. В этих странах ярко выражен практический подход, они всерьёз готовят будущих специалистов для работы на термоядерных реакторах.
Я был на нескольких международных совещаниях по ИТЭР, проходивших в Китае, и на задних рядах группа китайских студентов сидела и внимательно слушала всё, что мы обсуждали. Это наглядное проявление государственного подхода к подготовке кадров. Помимо этого, эти страны имеют свои внутренние программы термоядерных исследований, в которые вовлекаются выпускники вузов, чтобы в дальнейшем продолжить работу в этой области. Тем не менее все стороны – участницы проекта ИТЭР считают, что переход к Демо должен быть сделан на базе той технологической информации, которую предоставит ИТЭР. Поэтому для всех партнеров ИТЭР является необходимым шагом к Демо.
А Россия тоже планирует построить свой Демо-реактор?
Многие страны уже сегодня начинают проектировать Демо. Я знаю, существуют европейский, японский, китайский, корейский проекты Демо. Подобный проект был и у нас. Однако сейчас мы больше обсуждаем возможность создания не Демо, а гибридного реактора. Почему в России это возможно, а другие партнеры меньше к этому склоняются? Потому что у нас очень хорошо развита ядерная энергетика и ядерные технологии. А гибридный термоядерный реактор – это гибрид термоядерного сердца будущей установки и её ядерного технологического периферийного контура. У нас есть люди, технологи, ученые, есть опыт, школы и университеты, которые готовят будущих специалистов. И мы сегодня технологически имеем возможность сделать шаг к гибридному реактору.
Кроме технологических, у нас есть ещё и политические возможности. У россиян нет такого негативного отношения к ядерной энергетике, как, например, в странах Европы, где партия зеленых так настроена против ядерной энергетики, что обсуждать гибрид во многих европейских странах сегодня просто невозможно. Это и есть наше политическое преимущество. У наших партнеров по ИТЭР есть свои проекты Демо, а у России есть концептуальное представление, как мы можем сделать гибридный термоядерный реактор.
Расскажите подробнее про гибридный реактор.
Мы рассматриваем возможность создания гибридного реактора на базе Токамака – это та же самая база, что и ИТЭР. Токамак сегодня – самая продвинутая система в рамках концепции магнитного удержания плазмы с точки зрения технологии и достигнутых результатов. Помимо этого, Токамак – это наше советское, российское изобретение, которое родилось здесь, в Курчатовском институте в 50-х годах прошлого столетия. Поэтому для нас вполне естественно рассматривать Токамак в виде базы будущего термоядерного сердца гибридного реактора. Это источник нейтронов с энергией 14 МэВ. Эти нейтроны вылетают из плазменной части и попадают в окружающий бланкет. Бланкетом в гибридном реакторе мы называем устройство, содержащее делящийся материал, это может быть уран-238 или торий-232. Есть разные концепции, и они сейчас обсуждаются. В случае энергетического гибридного реактора нейтроны, попав в бланкет, запускают процесс деления, при котором происходит умножение мощности, возникшей внутри термоядерного реактора. Бланкет с делящимся материалом по существу выполняет функцию умножителя.
По расчетам наших ученых, энергия, которая создается в термоядерной части реактора, может быть умножена его ядерной частью в 10 раз! В настоящее время мы обсуждаем концепцию будущей программы термоядерных исследований в России, и тема гибридного реактора занимает в ней довольно существенную часть.
А в каких ещё сферах может применяться реакция термоядерного синтеза?
Таких сфер много. И наша программа термоядерных исследований не ограничивается только концепцией гибридного реактора. Она предусматривает продолжение работ по энергетическому чистому термоядерному реактору, а также разделу, связанному с применением термоядерных технологий в разных отраслях промышленности, в том числе и в космических исследованиях. Я бы сказал, что сейчас человечество стоит уже на грани выхода в дальний космос. Мы обсуждаем полеты на другие планеты, строительство космических станций на Луне и Марсе. А для этого требуется качественно иная энергетика, как по мощностям, так и по технологиям. И люди сделают новый шаг в космос. Вот что бы сейчас мы с вами ни решали, человечество в космос пойдёт. Но вопрос, кто пойдет? Россия или США? Или вместе? Или вместе с ЕС?
Или все пойдут, а мы останемся? Поэтому вопрос термоядерной энергетики, с моей точки зрения, очень существенный. В плане концептуального развития человечества, как оно себя видит, какие у него есть возможности для следующего шага. Здесь недопустимо отстать, надо быть впереди или, по крайней мере, быть равными с технологически развитыми державами.
Существуют разные критерии, по которым определяют развитые страны. На мой взгляд, если страна активно участвует в развитии купных научно-технических проектов, таких как МКС или ИТЭР, то она принадлежит к странам первого мира. А если не участвует, то оказывается страной третьего мира.
На какой стадии развития находится идея создания гибридного реактора в России?
У нас есть концептуальный проект, Росатом эту работу уже несколько лет поддерживает и финансирует. В проекте под руководством Курчатовского института участвуют НИИЭФА им. Д.В. Ефремова, НИКИЭТ им. Н.А. Доллежаля, Институт ядерной физики РАН, Физико-технический институт РАН, институт прикладной физики РАН из Нижнего Новгорода, ВНИИНМ им. А.А.Бочвара. Я этот проект знаю хорошо, там в принципе прописаны все технические решения. Это не рабочий проект, это ещё не рабочая документация – там нет чертежей. Но абсолютно четко отражено понимание всех конструктивных решений будущих компонентов этого гибридного реактора. Все технические и технологические решения, которые туда заложены, сегодня уже опробованы на стендах или термоядерных Токамаках. В этом смысле там нет нерешенных проблем. Эту машину мы можем сегодня построить, опираясь на современный уровень развития техники, науки и технологий.
Когда этот концептуальный проект может перерасти в рабочий?
Это вопрос политической воли. Рабочий проект – не очень дорогое мероприятие, по сути, это работа с бумагой. Его можно сделать за несколько лет. Но рабочий проект предполагает в том числе привязку к местности. Надо найти площадку для строительства.
Это ядерный объект, использующий тритиевые технологии в термоядерной части и делящиеся материалы: уран, торий, плутоний в ядерной составляющей реактора. Это полноценный ядерный объект, для размещения которого должна быть получена лицензия на соответствующую площадку, а также лицензия на создание самого реактора. Это серьезная работа. С точки зрения подготовки рабочих чертежей, я думаю, понадобится несколько лет. С точки зрения проектирования площадки на местности – это может быть около 5 лет. По моему представлению, в диапазоне 5–6 лет мы можем создать рабочий проект такой установки, уже привязанной к местности. А дальше можно будет приступать к строительству.
А что нужно, чтобы начать разработку рабочего проекта, решение руководства страны?
Да, масштаб проекта требует решения руководства страны. Этот вопрос Михаил Валентинович Ковальчук докладывал президенту, и президент дал поручение представить концептуальное видение. В настоящее время проект такого видения представлен и рассматривается в Росатоме, в Курчатовском институте. И в ближайшее время должен быть доложен в Администрацию Президента, а дальше это политическая воля руководства, когда именно будет целесообразно начать его реализацию. Как-то у Арцимовича спросили, когда будет реализован термоядерный синтез. Он ответил: «Тогда, когда правительству это будет надо».
С этой точки зрения ситуация не поменялась. С точки зрения науки мы сейчас знаем намного больше и намного больше умеем. Надо сказать, что ещё в 50-х годах, когда Курчатов предлагал Сталину развивать термоядерные исследования, он имел в виду гибридный реактор. Идея не сегодня возникла. Она возникла вместе с началом термоядерных исследований. Курчатов и его ближайшие эксперты, академики Сахаров, Тамм, с самого начала видели реализацию гибридного термоядерного реактора. Сегодня мы к этому технически абсолютно готовы.
Давайте вернемся к ИТЭР. На какой стадии реализации находится этот проект сегодня?
С точки зрения проектирования он завершен. Многие системы уже прошли стадию выпуска рабочей документации, но есть и системы, которые ещё доводятся до рабочих чертежей. Проект сейчас на стадии со3оружения. Идет сооружение комплекса зданий, начат монтаж оборудования. Все партнеры, это 34 страны, начали изготовление систем, находящихся в их зоне ответственности. Россия уже поставила две системы. Мы закончили изготовление и поставку сверхпроводников – ниобий-три-олово и ниобий-титан. Кстати, благодаря проекту ИТЭР в России была создана промышленность для изготовления сверхпроводников. И сейчас на Чепецком механическом заводе в Удмуртии одно из лучших в мире производств сверхпроводников. Наши обязательства в объеме 220 тонн сверхпроводящих материалов полностью выполнены. Изготовили сверхпроводники и кабели, поставили их нашим партнерам. Две системы из 25, которые делает российская сторона, мы уже закончили. Остальные мы все начали, они в стадии изготовления на предприятиях и в научных институтах.
Хочу подчеркнуть, что проект ИТЭР стал для российских предприятий стимулом для концентрации научно-технической и технологической мысли и центром развития точек роста наших наукоемких производств предприятий, которые в нём участвуют. Мы не только создали промышленность сверхпроводников, у нас в стране существенно выросло производство бериллия и вольфрама, благодаря тому что Россия делает 40% первой стенки для ИТЭР из бериллия, 100% центральной сборки дивертора из вольфрама, что потребовало запуска соответствующих производств. Помимо этого, российская сторона поставляет диагностические системы. А Институт прикладной физики РАН в Нижнем Новгороде и предприятие «ГИКОМ» изготовляют лучшие в мире гиротроны – мощные комплексы по высокочастотному нагреву плазмы до температур термоядерного синтеза. В России их делают лучше, чем где-либо в мире.
Согласно последним корректировкам первую плазму планируете получить в 2025 году?
Да, в сегодняшних планах первая плазма намечена на 2025 год. В конце 2025 года мы должны собрать машину. Что такое первая плазма? Это значит, у вас машина собрана, собрана электромагнитная система и вы смогли электромагнитную систему вывести на номинальную мощность, получить вакуум, организовать пробой и поддержание плазмы в течение определенного отрезка времени. Вот смысл первой плазмы.
В определенной мере это комплексное тестирование всех систем проекта ИТЭР. После получения первой плазмы мы порядка полугода должны с ней поработать. Затем машина должна быть остановлена и проведена досборка тех технологических и конструктивных элементов, которые позволят продолжить исследования. Затем будет получена вторая плазма, в которой, мы надеемся, будут достигнуты основные параметры реактора, но пока ещё без трития. Тритий – это уже третья стадия. Когда мы убедимся, что вышли в плазме ИТЭР на проектные параметры и режимы, мы начнем вводить в эту плазму дейтерий и уже на последней стадии тритий, что позволит выйти на проектные показатели по мощности. Следующая фаза проекта предполагает проведение исследований в течение 20 лет. Там есть что исследовать, потому что основная цель Токамака ИТЭР – изучение горения в термоядерной плазме.
Ранее в термоядерных установках мы грели плазму дополнительными методами, а нагрев альфа-частицами – продуктами термоядерных реакций дейтерий-тритиевого синтеза – был несущественным. Он составлял малую долю от общего нагрева. Здесь, в ИТЭР, впервые нагрев альфа-частицами существенно превысит все остальные методы нагрева. При этом возникают новые физические явления, в плазме будут возникать неустойчивости, надо научиться управлять этими процессами, сдерживать их развитие. Вот это мы и называем управляемым термоядерным синтезом, когда вы умеете управлять процессами, которые вами же созданы. Как ожидается, на это потребуется порядка 20 лет, отсчитывая от начала работы с тритием. Хотя сегодня об этом говорить преждевременно. Жизнь покажет. Может, мы быстро достигнем поставленных целей, и установка выработает свои задачи в течение 5 или 10 лет. Но на сегодняшний день в документах записано 20 лет научно-технической эксплуатации установки. После этого она останавливается, и идет её дезактивация, разборка и захоронение тех конструкций, которые активировались.
С какими проблемами вы сталкиваетесь в ходе строительства ИТЭРа?
Научно-технических проблем я не вижу. Те технические решения, которые заложены в ИТЭР, реализуемы. В английском языке есть слово «шоу-стопер». Нет у нас шоу-стоперов. Нет проблемы, которая останавливает весь процесс. Главная задача – работать вместе быстро. Мы уже несколько раз откладывали первую плазму. И не потому, что мы не можем вовремя это сделать. А потому, что у каждой страны своя скорость принятия решений. Для некоторых стран, если вы спланировали, очень важно выполнить обязательства. К ним относятся Россия, Япония, Китай. А для некоторых стран необходимость следовать ранее оговоренному плану жестко не прописана. Я бы к таким странам отнес, прежде всего, ЕС и США. Причины для разных стран свои. У США недофинансирование. В ЕС очень длинный процесс согласования и принятия решений. По существу, сегодня сроки осуществления ИТЭР определяются ЕС, потому что он самый медленный партнер в плане реализации решений и контрактирования договоров с промышленностью. Поэтому получается, что бежим мы все вместе, но зачет по последнему.
Можно ли исправить эту ситуацию?
Можно её ускорять. Есть Совет ИТЭР, в него входит по четыре представителя каждого партнера, это не просто эксперты, это и влиятельные люди, принимающие решения. Очередное заседание Совета ИТЭР пройдет 16–17 ноября. Мы надеемся, что на этом совете будет принято решение об утверждении графика сооружения установки, в котором получение первой плазмы будет запланировано на 2025 год. Надеемся, что партнеры, которые привыкли и заинтересованы делать быстро, повлияют на тех, кто меньше торопится, чтобы проект реализовывался быстрее. Ведь скорость сооружения ИТЭР напрямую влияет на стоимость проекта. Ресурсы тратятся каждый год, и чем дольше мы строим машину, тем она становится дороже.
На ваш взгляд, за какими источниками энергии будущее?
Конечно, за термоядерными! Они неисчерпаемы, экологически безопасны и обеспечивают переход на новый качественный уровень по мощности. Термояд может обеспечить увеличение мощности в разы.
При этом у атомной энергетики тоже очень хорошие перспективы, и она долго будет существенным компонентом мировой энергосистемы. В XXI веке атомная энергетика точно будет одной из основных составляющих энергетического комплекса. Что касается тепловых станций на нефти и газе… можно, конечно, и ассигнациями печку топить. Тоже будет тепло выделяться. Но это не самый эффективный способ. Ассигнации можно использовать для других целей. Нефть и газ – бесценное химическое сырье, из которого можно производить массу полезной продукции. Зачем его сжигать? То же самое уголь и древесина. Древесина очень ценное сырье, у нас его пока много, а ведь некоторые страны его вообще не имеют. Надо каждому виду сегодняшнего топлива найти максимально эффективное использование. Ведь его назначение может быть не в том, чтобы быть топливом. Оно может стать базой для других отраслей химической промышленности.
Вся энергетика, основанная на углеводородах, должна быть в обозримом будущем заменена новыми технологиями, исключающими цикл сжигания углерода. У атомной энергетики хорошие перспективы, по крайней мере, ещё на два столетия. Что касается термояда, то на рубеже середины XXI века человечество эту энергетику начнет использовать. И вопрос в том, станет ли Россия участником этого праздника жизни или мы окажемся на обочине цивилизации.
