Энергия будущего

Термоядерный синтез: вчера, сегодня, завтра и послезавтра

Идея использовать управляемый термоядерный синтез для получения энергии появилась еще в 50-х годах прошлого века. Тогда считалось, что уже в 2000-х годах термоядерные установки станут для человечества основным источником энергии. Однако овладеть термоядом оказалось гораздо сложнее, чем предполагалось. О задачах в области термоядерного синтеза, которые ученые решают сегодня, а также о перспективах развития этого направления в России и в мире рассказала Елена Дергунова, ведущий научный сотрудник АО «ВНИИНМ».

Жарче Солнца

Идею получения энергии благодаря реакции термоядерного синтеза первым озвучил Олег Лаврентьев, молодой человек, который получил лишь школьное образование, но активно самостоятельно занимался изучением ядерной физики. В 1948 году он написал письмо советскому правительству, в котором изложил свои предложения, взяв в качестве примера процессы, происходящие на Солнце. К этому времени ученым уже было известно, что в недрах Солнца и других звезд происходит термоядерная реакция вследствие взаимодействия двух изотопов водорода — дейтерия и трития — с выделением нейтронов, гелия и огромного количества энергии. Лаврентий Берия предложил рассмотреть этот вопрос советским физикам — Игорю Тамму и Андрею Сахарову, которые уже занимались разработкой этой темы.

В 1950-е годы ученые в разных странах мира начали параллельно изучать реакции деления ядра и термоядерного синтеза. В частности, темой термояда активно интересовался Игорь Курчатов. Даже ходила байка, что он якобы пообещал сбрить бороду, когда будет осуществлена управляемая термоядерная реакция. Но для осуществления подобной реакции требуется очень высокая температура. Так, температура Солнца варьируется в пределах от 5000–6000 °C на поверхности до 15 млн °C в его ядре. Однако на Солнце очень высокая плотность вещества, которую мы не можем достичь на Земле. Поэтому, чтобы провести подобную реакцию и заставить взаимодействовать изотопы водорода, требуется гораздо более высокая температура. Сначала считалось, что она должна составлять порядка 400 млн °C, сейчас ученые считают, что достаточно достичь 100— 150 млн °C. Но такую температуру не выдержит ни один материал. 

Плазма в магнитном поле

Игорь Тамм и Андрей Сахаров знали, что плазма отталкивается от магнитного поля, и если проводить термоядерную реакцию внутри поля, плазма не сможет выйти за его пределы, оставаясь как бы «подвешенной» в пространстве. Таким образом можно удерживать плазму, разогретую до температур в сотни миллионов градусов Цельсия. Ими предложена идея создания токамака — тороидальной магнитной камеры, и первый в мире токамак с магнитными катушками запустили в СССР в 1954 году. В 1950–1960-е годы считалось, что термоядерная энергетика начнет вытеснять ядерную уже с 1980-х годов, и к 2000 году все АЭС будут замещены термоядерными электростанциями, а к 2010 году нефть, уголь и газ перестанут использоваться для производства электроэнергии. Но время показало, что все гораздо сложнее.

Тем не менее сегодня многие ученые полагают, что за токамаками будущее энергетики. Такой реактор безопасен: реакцию в нем можно остановить в любой момент, просто прекратив подачу энергии. Взорваться он тоже не может, поскольку плотность плазмы слишком мала. Тритий и дейтерий достаточно дешевы, при этом всего из 80 граммов смеси двух изотопов можно получить столько же энергии, сколько дает 1000 тонн угля. Основная проблема токамаков в том, что они функционируют в импульсном режиме и пока длительность импульса недостаточна для получения полезного выхода энергии. Сегодня одна из главных задач ученых — добиться увеличения длительности импульса не менее 100 секунд, а в идеале — до 1000 секунд. 

Путь длиной в полвека

В конце 1970-х годов советские ученые по предложению академика Евгения Велихова выступили с инициативой создания международного термоядерного экспериментального реактора. Их поддержали США, Япония и Европейский союз. Изначально проект назывался INTOR, однако потребовалось 10 лет, чтобы проект был официально инициирован уже под названием ITER (ИТЭР, англ. International Thermonuclear Experimental Reactor, Международный экспериментальный термоядерный реактор; название также отсылает к латинскому iter — «путь»). Для строительства рассматривались площадки в Канаде, Франции и других странах. Специалисты Японии особенно активно предлагали построить реактор у них: Японию можно назвать страной сверхпроводников, поскольку многие годы там разрабатывают эти высокотехнологичные материалы и устройства. Но из-за высокой сейсмической опасности такое решение не было принято. Под площадку для ИТЭР выбрали местечко в южной Франции — Кадараш, расположенный недалеко от Марселя, в окрестностях старинного города Экс-ан-Прованс. Подготовка площадки началась в 2008 году, а в 2013 приступили к строительству, однако из-за сложности проекта предполагаемые сроки зажигания плазмы постоянно сдвигались.

Чтобы передать масштаб проекта ИТЭР, можно воспользоваться аналогией с другим крупнейшим в Европе мегасайенс-проектом (физической установкой) — Большим адронным коллайдером, расположенным в окрестностях Женевы. Так вот, говорят, что коллайдер — это просто игрушка для детей младшего школьного возраста по сравнению с тем, что представляет собой ИТЭР.

ИТЭР — это уникальная сложнейшая система и в то же время эксперимент, в ходе которого разрабатывается множество новейших технологий. Чтобы получить большое кольцо плазмы, необходимо решить ряд физических проблем, создать криогенные, вакуумные и многие другие системы. Планируется, что ИТЭР станет первым термоядерным реактором, где будет осуществлен процесс безубыточного термоядерного синтеза дейтерий-тритиевой плазмы. А вот сможем ли мы, управляя этим процессом, получать энергию, покажут только эксперименты и время.

220 тонн сверхпроводников

Для создания сильного магнитного поля, способного удерживать кольцо высокотемпературной плазмы, необходимы сверхпроводники. Специалисты ВНИИНМ начиная с 1970-х годов занимались разработкой технологии создания сверхпроводников, производство которых было налажено сначала в Казахстане. Еще в 1977 году в Курчатовском институте был создан первый в мире токамак (Т-7) с обмоткой из NbTi-сверхпроводников. Это было самое начало долгого пути, и до конструкции, подобной ИТЭР, было все еще очень далеко. Прообразом международного реактора стал советский Токамак-15, созданный в СССР в 1988 году (также впервые в мире на основе хрупкого сверхпроводящего интерметаллида Nb₃Sn, разработанного во ВНИИНМ). Наработанные компетенции позволили нам стать одними из победителей в тендере поставщиков сверхпроводников для международного проекта ИТЭР.

Основной вклад ВНИИНМ в ИТЭР связан с разработкой технологии и организацией промышленного производства сверхпроводников в России, на Чепецком механическом заводе (г. Глазов, Удмуртия). Там при участии АО «ТВЭЛ» был построен практически новый цех, в котором было налажено производство и выпущено более 220 тонн сверхпроводников для ИТЭР. Стоит отметить, что эти сверхпроводники по своим характеристикам были признаны наиболее стабильными при циклических нагрузках при работе магнитной системы.

Когда зажгут плазму?

При разработке ИТЭР планировалось, что первое зажигание плазмы может быть осуществлено в 2016 году. Однако по мере реализации проекта возникали непредвиденные проблемы. Один из примеров: на площадке выяснилось, что стенки вакуумной камеры ИТЭР (за эту часть отвечает Корея) не стыкуются, трубки тепловых экранов растрескались. Поврежденные экраны ремонтируют или заменяют, а поскольку это огромное сооружение, потребуется не один год, чтобы решить эту проблему , что также означает отсрочку пуска ИТЭР. Только на сварку отводится около трех лет, а завершение сборки планируют к 2033 году.

Сегодня принято решение не стремиться к скорейшему зажиганию первой плазмы. Но необходимо понимать, что зажечь плазму — это не самоцель. Гораздо важнее — наладить работу всех систем реактора. На сегодня готовность к физическому пуску ИТЭР и получению первой плазмы составляет, по сообщению руководства проекта, 70%. БОльшая часть оборудования доставлена на площадку. При этом Россия свои обязательства стабильно выполняет. В феврале 2023 года последняя магнитная катушка, изготовленная в АО «НИИЭФА», с обмоткой из NbTi-сверхпроводников, произведенных на Чепецком механическом заводе (АО «ТВЭЛ»), была транспортирована на место строительства.

Намечены несколько этапов ввода в эксплуатацию: начало будет в 2034 году в процессе дейтерий-дейтериевого эксперимента на проектных параметрах, дейтерий-тритиевый сдвинется на 2039–2049 годы. А в период 2049–2059 годов планируется достичь выработки токамаком 500 МВт энергии на протяжении минимум 500 секунд. Еще через 10 лет должны начаться испытания модулей бланкета, который преобразует термоядерную энергию в электрическую.

Российский бериллий

Еще одно достижение специалистов ВНИИНМ — разработка технологии создания материала для облицовки первой стенки реактора ИТЭР, граничащей с кольцом плазмы. Таким материалом стал бериллий. Он обладает совокупностью целого ряда уникальных свойств, как физико-механических, так и ядерно-физических. В первую очередь это обусловлено малым порядковым номером бериллия в периодической системе элементов, где он идет четвертым после водорода, гелия и лития, что очень благоприятно для горения плазменного шнура, так как при возможном попадании бериллия в плазму ее температура почти не падает. Материал для облицовки первой стенки реактора должен иметь высокие характеристики по механической прочности, вакуумной плотности, тепло- и электропроводности, а также высокую жаропрочность, стойкость к термоциклическим нагрузкам и радиации. Состав марки бериллия, разработанный специалистами ВНИИНМ, обладает всеми требуемыми характеристиками.

Однако бериллий не одобрил французский регулятор. Предлагают заменить его вольфрамом, но если же облицовку первой стенки сделать из вольфрама, то при малейшем его попадании в плазму происходит вспышка, при которой фотонам передается энергия плазмы, из-за чего ее температура падает, и термоядерная реакция гаснет. Чтобы компенсировать эти недостатки вольфрама, предложено нанести покрытие из карбида бора и добавить гиротроны (их потребуется в несколько раз больше), создающие СВЧ-излучение мощностью 1 МВт для зажигания плазмы. Гиротроны тоже производят в России, они были изобретены в нижегородском Институте прикладной физики им. А. В. Гапонова-Грехова РАН. Это оборудование используют во всех крупнейших токамаках мира.

Термоядерный синтез в мире

Сегодня в мире действуют около 10 крупных работающих токамаков. При этом роль каждой из термоядерных установок неоценима для научного сообщества. Например, американский токамак TFTR смог достичь температуры плазмы свыше 500 млн °C. Также стоит отметить, что в США создан импульсный космический двигатель на водяном топливе с термоядерным форсажем (американский стартап RocketStar).

На японском токамаке JT-60SA была достигнута наибольшая плотность плазмы. Они идут по пути повышения плотности плазмы, так как это позволит снизить ее температуру. Япония — страна, во многом живущая за счет внедрения новых высоких технологий, так как у них весьма ограниченное количество собственных ресурсов. Поэтому неудивительно, что Япония приняла первую в истории национальную стратегию по термоядерному синтезу, отражающую необходимость создания в стране термоядерной промышленности. В последние годы исследования в области термоядерного синтеза развиваются быстро: инвесторы финансируют частные проекты, в намерения которых входит запуск коммерческого термоядерного источника энергии быстрее, чем ИТЭР. На этом основании правительство решило использовать «многогранный подход», включающий создание и поддержку собственной термоядерной энергетики. Один из рассматриваемых вариантов — создание термоядерного реактора меньших масштабов.

Китайский токамак EAST называют действующим чемпионом: в 2021 году на нем удалось удерживать плазму с температурой в 120 млн °C на протяжении 101 секунды, а нагретую до 160 млн °C — около 20 секунд. В недавнем сообщении говорилось уже о длительности удержания плазмы в 1066 секунд. Токамак BEST мощностью 20–200 МВт планируют достроить в Китае в этом году, а получить первую плазму — к концу 2027 года. Цель проекта — добиться не только устойчивого горения плазмы, но и выработки энергии.

В Китае принят государственный проект по строительству первой термоядерной станции, где будет вырабатываться электроэнергия на коммерческой основе. Поставлены сроки, выбрано место, и строительство уже началось. Запуск проекта запланирован на 2050 год.

Английский JET — самый большой в мире токамак, единственный, способный работать на дейтериево-тритиевой плазме. JET действовал до 2023 года, а сейчас остановлен, как подошедший к пределу своей мощности. Коэффициент Q (соотношение произведенной термоядерной энергии и затраченной энергии на проведение реакции) для дейтерия и трития, достигнутый на JET, составил 0,67 (было произведено 69 МДж за 5 секунд с использованием всего 0,2 мг топлива). На сегодня это самый высокий показатель: на 24 МВт энергии, затраченной на нагрев плазмы, выход при термоядерном синтезе составил 16 МВт. Правда, после этого эксперимента стенки реактора облучились настолько сильно, что пришлось разрабатывать полностью роботизированную систему обслуживания реактора, поскольку человеку туда вход заказан. Тем не менее Великобритания видит перспективы термоядерной энергетики и планирует инвестировать в ближайшие пять лет более 1 млрд долларов, чтобы к началу 2040-х годов построить новый реактор и получить дешевую и надежную коммерческую форму термоядерного синтеза, основанную на технологии токамака.

В термояд активно вкладывается не только Великобритания. В сентябре 2022 года министр образования и науки Германии сообщила, что страна инвестирует в ближайшие пять лет более 1 млрд евро в исследования в области термоядерного синтеза.

Российские токамаки

Сейчас в России функционируют несколько токамаков: Т-11М (на площадке Научного дивизиона «Росатома» в Троицке), уникальный сферический токамак «Глобус-М2», существенно модернизированный в 2017 году (в ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН), в 2023 году после модернизации возобновил работу токамак «Мифист» в НИЯУ «МИФИ». В декабре 2020 года в Курчатовском институте был запущен первый в мире гибридный термоядерный реактор Т-15МД. Его цель — поддержка проекта ИТЭР и получение физико-технологической базы для обоснования создания стационарных термоядерных реакторов и перспективных гибридных систем на основе токамаков. Гибридный токамак также может использоваться для выжигания радиоактивных отходов и производства ядерного топлива: уран-238 и другие компоненты отработавшего ядерного топлива можно преобразовывать в другие изотопы, подходящие для работы АЭС.

Главный российский термоядерный проект сегодня — токамак с реакторными технологиями ТРТ. Под этот проект будет отдана почти треть территории института «Росатома» в Троицке. ТРТ будет более чем в 25 раз меньше ИТЭР по объему, но при этом куда более продвинутым в научно-техническом плане. Для защиты стенок токамака от перегрева и попадания в плазму примесей предполагается использовать жидкий литий. Также в конструкции реактора применят лучшие на сегодняшний день высокотемпературные сверхпроводники — их производят в Москве. Только им под силу поддерживать высокое магнитное поле. При этом в криостате, где находятся катушки, температура приближается к абсолютному нулю. Еще одной уникальной чертой ТРТ станет использование новейших технологий нагрева плазмы и поддержания ее термоядерных параметров. Планируется, что токамак будет собран к 2030-му, а запуск установки состоится к 2036 году.