Термояд сегодня, завтра и послезавтра

Ученые обсудили результаты актуальных исследований в области управляемого термоядерного синтеза

В Звенигороде с 18 по 22 марта прошла 51-я Международная конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу. В мероприятии только очно зарегистрировалось около 500 человек, более 300 подключались онлайн.

«Сегодня возможность практического использования управляемого термоядерного синтеза в энергетике выглядит реальной перспективой, — отметил в обращении к участникам конференции глава Росатома Алексей Лихачев. — Рубеж 50–60-х годов текущего столетия закреплен в качестве опорной даты сооружения демонстрационного термоядерного реактора в национальных программах ряда стран — наших партнеров по международному проекту ИТЭР».

Росатом работает над федеральным проектом по термоядерным и плазменным технологиям в составе Комплексной программы «Развитие атомной науки, техники и технологий» (КП «РТТН»). «Ключевыми элементами нашей программы являются создание токамака с реакторными технологиями, в который мы планируем интегрировать современные научно-технологические решения, а также вывод на рабочие параметры токамака Т-15МД в Курчатовском институте, — подчеркнул Алексей Лихачев. — Рассчитываем, что оба эти объекта, равно как и реализация проекта ИТЭР, станут основой тесной международной кооперации в интересах развития мировой науки».

Курчатовский вклад

С открывающим докладом выступил президент НИЦ «Курчатовский институт» Михаил Ковальчук. Он подробно рассказал об атомных и неатомных проектах, которые реализует сегодня Курчатовский институт, в том числе в сотрудничестве с Росатомом. Термояд, по его мнению, должен стать важной составляющей природоподобной энергетики будущего, ведь он воспроизводит процессы, протекающие в звездах. При этом в структуре земной энергетики термоядерный источник нейтронов производит топливо для быстрых и тепловых ядерных реакторов — основных наработчиков энергии. А долгоживущие радиоактивные элементы эффективно дожигаются в жидкосолевом реакторе, так что возвращаемые в природу отходы топливного цикла по уровню радиоактивности соответствуют исходно добытому сырью, не нарушая природный баланс.

О результатах первых экспериментов на новом токамаке Т-15МД рассказал научный руководитель комплекса термоядерной энергетики и плазменных технологий НИЦ «Курчатовский институт» Петр Хвостенко. Он напомнил, что в марте прошлого года на установке получили первую высокотемпературную плазму. Всего за прошлый год провели две экспериментальные кампании, в ходе которых отработали алгоритмы получения плазменных разрядов, достигли параметров магнитного поля индукцией 1 Тл с длительностью 30 секунд. Провели стендовые испытания по выводу гиротрона предыонизации на номинальные параметры, а также получили в ФМБА разрешение на проведение экспериментов сроком на 5 лет. «В ходе экспериментов были получены плазменные разряды с током до 260 кА, — сообщил Петр Хвостенко. — При токе плазмы 190 кА достигнута рекордная для отечественных токамаков длительность импульса — 2 секунды. В дальнейшем планируется ввод в работу систем дополнительного нагрева плазмы и поддержания тока, дооснащение токамака диагностиками, установка дивертора и облицовка камеры графитом».

«Это очень хороший результат для пусковой работы, и ясно, что токамак будет работать нормально», — прокомментировал директор направления научно-технических исследований и разработок Росатома, научный руководитель федерального проекта «Термоядерные и плазменные технологии» КП «РТТН», вице-председатель международного Совета ИТЭР Виктор Ильгисонис.

Он также оценил ход реализации термоядерного проекта РТТН: «Термоядерные исследования основаны на сложных наукоемких технологиях, которые нам надо из области идей перевести в практическую плоскость. Мы составили напряженный многоплановый график реализации проекта. Главным результатом считаю то, что все наши работы идут по плану. Мы идем без существенных отклонений, и это очень важно».

85 процентов ИТЭР

Новостями со стройплощадки международного экспериментального термоядерного реактора поделился заместитель генерального директора Международной организации ИТЭР Ютака Камада. По его словам, установка собрана на 85%, но есть проблемы.

«Реализация проекта ИТЭР сталкивается с многочисленными задержками в сборке токамака из-за несвоевременной поставки узлов и компонентов, более продолжительной, чем ожидалось, сборки первых в своем роде систем, а также из-за необходимости доработки элементов вакуумной камеры и тепловой защиты, — сказал Ютака Камада. — Текущая ситуация с поставкой компонентов и внимательная оценка процессов сборки демонстрируют необходимость принятия технически реализуемого плана проекта с минимизацией рисков». Он напомнил, что руководство ИТЭР сейчас готовит новый график проекта (так называемую «базовую линию»). Предполагается, что его обсудят и утвердят на Совете ИТЭР в июне этого года.

По словам заместителя гендиректора Международной организации ИТЭР, идет сборка вакуумной камеры реактора. Уже установлено большинство внутрикамерных узлов и компонентов, необходимых для получения первой плазмы, — кроме первой стенки. Ее изначально планировали делать из бериллия, но буквально в прошлом году в Международной организации ИТЭР решили заменить инерционно охлаждаемой стенкой из вольфрама. Однако «остаются сомнения в совместимости вольфрама с плазмой». Моделирование показало, что попадание вольфрамовых примесей в плазму, способное повлиять на работу реактора, можно исключить, но нужно экспериментальное подтверждение. Программу экспериментов поручено подготовить Международной рабочей группе по физике токамаков.

«Международная организация ИТЭР и Проектный центр ИТЭР (Росатом) обсуждают программу исследований по возможности нанесения покрытий из B₄C на вольфрам в качестве способа снижения риска попадания вольфрамовых примесей в плазму, — рассказал Ютака Камада. — Разработки, проведенные в рамках проекта ИТЭР, позволяют наносить такие покрытия толщиной 0,1–20 микрон разными способами».

Инициативные исследования покрытий в нашей стране идут уже почти год, рассказал корреспонденту «Вестника атомпрома» руководитель ИТЭР-Центра Анатолий Красильников. Рассматривают не только B₄C, но и другие варианты покрытий, в частности TiB₂AlN. «Мы уже изготовили и испытали первую партию образцов под нагрузками, подобными тем, которые будут в токамаке. Результатам этих испытаний почти полностью посвящен первый номер журнала «Вопросы атомной науки и техники» за этот год, — отметил он. — Международная организация ИТЭР подготовила контракт с Россией на эту тему. Это означает, что необходимость исследований признана и в ИТЭР готовы тратить на них деньги. Изготовлена вторая партия образцов. В этом году или в начале следующего запланированы испытания на токамаках в Корее и Китае».

Шаг к реактору

Отечественный шаг на пути к термоядерной энергетике — токамак с реакторными технологиями (ТРТ). «Эта машина имеет ряд принципиальных новшеств, — отметил Анатолий Красильников. — Прежде всего, электромагнитную систему впервые сделаем из высокотемпературных сверхпроводников. Это позволит поднять магнитное поле до 8 Тл, увеличить параметры плазмы и уменьшить масштабы установки».

Ученый подчеркнул, что специалисты по токамакам пока не решили проблему генерации стационарного тока, которая необходима для поддержания термоядерного горения плазмы. «На ТРТ мы будем исследовать несколько методов, — сказал Анатолий Красильников. — Нейтральной инжекцией занимается Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера Сибирского отделения РАН, электронно-циклотронным нагревом — нижегородский Институт прикладной физики РАН, нижнегибридными волнами — петербургский Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН».

Еще одна задача, пока не решенная термоядерщиками, — создание стационарного (длительностью от 100 секунд) разряда. Это важно для правильного взаимодействия плазмы со стенкой. «Мы будем отрабатывать на этой машине и новые материалы для первой стенки дивертора, и новые конструкции первой стенки и дивертора, — продолжает глава ИТЭР-Центра. — Кроме того, мы будем отрабатывать еще и плазменные технологии, которые будут продлевать жизнь первой стенке и дивертору».

Строить ТРТ планируют на территории Троицкого института инновационных и термоядерных исследование (ГНЦ РФ ТРИНИТИ). «Первого марта генеральный директор Росатома подписал указ о старте работ по токамаку с реакторными технологиями. Статус проекта теперь официально закреплен на отраслевом уровне, — рассказал гендиректор института Кирилл Ильин. — Эскизный проект установки разрабатывает НИИ электрофизики и автоматизации (НИИЭФА им. Д. В. Ефремова. — Прим. ред.), в этом году он уже должен быть готов. Это будет основа для формирования технического проекта в будущем. Параллельно на базе ТРИНИТИ создается инфраструктура будущего токамака, до конца года ее важные компоненты будут готовы в своей инженерной части. Начало работ по реконструкции с размещением токамака планируем на 2026 год, физпуск — на 2030-й».

По мнению директора ИТЭР-Центра Анатолия Красильникова, российские и китайские термоядерщики должны работать над токамаками будущего в тесном сотрудничестве. Китайцы должны помогать нам в создании ТРТ, а нам стоит принять участие в проекте китайского токамака BEST, а потом проводить друг у друга в гостях исследования, уверен ученый. Вместе ТРТ и ВEST составят отличную базу для отработки термоядерных технологий будущего.

«Нынешнюю звенигородскую конференцию впервые посетили наши китайские коллеги из Института физики плазмы Китайской академии наук, — отметил Анатолий Красильников. — Совсем недавно мы подписали двустороннее соглашение о сотрудничестве, уверен, оно принесет очень достойный результат. Я рад, что в этом году наша традиционная конференция стала платформой для такого тесного международного сотрудничества, и нет сомнений, что наше дальнейшее взаимодействие пойдет на пользу национальным термоядерным программам России и Китая».