Бублик под одеялом
СССР – страна-первопроходец в области исследования управляемого термоядерного синтеза. Даже само слово «токамак» придумали советские учёные. В то же время сегодня Россия (в отличие от других стран – участниц проекта ИТЭР) до сих пор не имеет собственной национальной программы развития термоядерных исследований. Однако эта ситуация в ближайшее время может измениться. Предложения по развитию управляемого термоядерного синтеза (УТС) включены в нацпроект «Развитие атомной науки, техники и технологий», разработанный Росатомом и в настоящее время проходящий процедуры согласования. В случае его утверждения Россия получит возможность в ближайшие 5 лет реализовать первый этап работ по созданию собственного гибридного термоядерного реактора. О программе развития УТС, отличии гибридного реактора от установки «ДемО» и перспективах термоядерного направления «Вестнику Атомпрома» рассказал директор частного учреждения «ИТЭР-Центр» Анатолий Красильников.
Анатолий Витальевич, расскажите, пожалуйста, что сейчас происходит с программой развития термоядерных технологий в России, что она в себя включает и когда может быть принята?
Сегодня в России финансирование наиболее важных направлений ведётся через нацпроекты. Один из таких проектов, он 13-й по счёту, и мы иногда его называем «12+1», «Развитие атомной науки, техники и технологий», сформирован ГК «Росатом», поддержан Академией наук и направлен в Администрацию президента и другие органы исполнительной власти для согласования и принятия. В этот проект мы включили предложения, которые готовили по российской программе УТС. Содержание программы посвящено развитию термоядерных технологий в России, созданию и обновлению стендовых баз, а главное, строительству прототипов гибридного термоядерного реактора, в конструкции которого будут объединены процессы ядерного деления и синтеза. Стержнем программы является поступательное движение к сооружению гибридного реактора у нас в стране. Нацпроекты рассчитаны на 5 лет до 2024 года, гибридный термоядерный реактор за такой короткий срок построить невозможно. Поэтому в течение этого этапа реализации программы УТС мы планируем создать «пусковые минимумы» будущего гибридного реактора.
Первым шагом станет строительство стендов для отработки физических, технических и технологических решений для будущего гибридного реактора. Это будут стенды как бланкетной части гибридного реактора, где термоядерные нейтроны будут вызывать деление ядерных материалов в так называемом бланкете, так и плазменной, которые позволят реализовать основные реакторные технологические решения. Мы этот первый этап называем «Токамак с реакторными технологиями». Предполагается, что если нацпроект одобрят, в его рамках до 2024 года будут разработаны такие крупные компоненты токамака, как вакуумная камера, криостат, обмотки сверхпроводящей электромагнитной системы, криогенная система, система дополнительного нагрева, элементы первой стенки и инвектора, и будут созданы их пилотные образцы. Это позволит в более поздние годы реализовать сборку машины в целом и осуществить её физический пуск. Сейчас трудно говорить о каких-то датах, но ориентировочно речь может идти о 2030 годе. В связи с тем, что программа УТС включена в нацпроект, Росатом в этом году выделил из своих средств финансирование на эскизное проектирование компонентов токамака с реакторными технологиями. Мы уже провели несколько совещаний и сформировали коллективы из ведущих экспертов страны, которые в течение 2019 года должны дать предложения по концептуальным и эскизным проектам по каждой из ключевых подсистем токамака. В соответствии с ТЗ в конце года мы должны иметь полный эскизный проект установки «Токамак с реакторными технологиями». В этом смысле можно сказать – движение к реализации российской программы термоядерного синтеза началось.
В чём разница между установками типа «ДЕМО», которые хотят строить в европейских странах, и гибридным реактором? И почему в России был сделан выбор в пользу гибридной установки?
Среди семи стран – партнёров ИТЭР существует принципиальная разница в отношении к атомной энергии. Так, в Европе большое влияние имеет партия зелёных, которая весьма негативно относится к ядерной энергетике. Поэтому в ряде европейских стран существует тенденция к полному отказу от АЭС. По той же причине разговор о гибриде термоядерной энергетики с ядерной энергетикой (что и представляет из себя гибридный реактор) в Европе закрыт по политическим причинам. Подобная ситуация характерна и для таких стран, как Япония и Корея, где общественное мнение крайне негативно настроено к ядерной энергетике из-за аварии на АЭС «Фукусима», и в качестве перспективы рассматривается чистая термоядерная энергетика, которую и представляет проект «ДЕМО». В США подобного запрета нет, и тема создания гибридного реактора обсуждается на уровне экспертных сообществ. 
Такая же ситуация и в Китае. Существуют проекты европейского «ДЕМО», японского «ДЕМО», корейского «ДЕМО» и даже китайского «ДЕМО», хотя китайцы рассматривают обе концепции – и «ДЕМО», и гибридного реактора. Россия выбрала проект гибридного термоядерного реактора, так как у нас есть компетенции и в термоядерной области, и в сфере ядерных технологий. Почему мы говорим, что гибридный реактор представляет интерес на данном этапе развития? Потому что в подобной установке существенно снижаются требования к мощности термоядерной части. Поскольку в гибридном реакторе в части деления мощность реакции и потоки вырабатываемых нейтронов увеличиваются в 10–20 раз, то в термоядерной части вы можете иметь мощность термоядерного горения в 10–20 раз ниже. Иными словами, для создания подобной установки достаточно уже имеющихся знаний. А это весьма важно с точки зрения сроков реализации проекта. Так на ИТЭРе мы решили проблему первой стенки и дивертора и приступили к их изготовлению: первая стенка из бериллия, дивертор из вольфрама, технические и технологические решения существуют. Однако подобных решений для «ДЕМО» пока не найдено, и над ними ещё предстоит работать. Поэтому в Японии, Корее и Европе «ДЕМО» проектируется исходя из того, что материалы и конструкции ещё будут созданы, но сегодня их нет. В то же время для создания гибридного реактора технические и технологические решения уже существуют. Этим объясняется наш выбор в пользу гибридной установки. При этом работа с плазменной частью будущего гибридного реактора позволит сделать шаг и к чистому термоядерному реактору, когда необходимые материалы и конструктивы будут созданы.
Что из себя будет представлять гибридная машина? Два отдельных реактора или единая установка? Каков принцип работы гибридного реактора?
Гибридная установка – это цельная машина, её сердце – термоядерный реактор в форме токамака, который по форме можно сравнить с «бубликом». Так вот, представьте, что этот «бублик» обкладывается специальными модулями «бланкета» (от английского слова blanket – одеяло), содержащими делящийся материал, уран-238 или торий-232. Мы как бы обернём термоядерный реактор таким «одеялом» с делящимся материалом. При работе установки термоядерные нейтроны вылетают из токамака и попадают в уран или торий, реализуя ядерные реакции в нём. Мы получаем такой вот симбиоз термоядерного реактора синтеза с ядерным реактором. Подобная система с точки зрения её компонентов более сложная, чем отдельный термоядерный реактор, но необходимые для её реализации технические и технологические решения уже существуют. Дальше всё происходит как на обычной АЭС, вы произвели нейтроны, затем этими нейтронами можно нагреть воду, запустив парогенератор, и так далее. Есть и другие решения, например прямое преобразование из радиации в электрический ток, но это уже предмет будущих разработок.
ИТЭР – общий проект, при этом каждая страна-участница реализует свою собственную программу. Можно ли сказать, что какая-то из стран опережает другие? Как вы оцениваете положение России, она на данный момент отстаёт от ведущих стран или эта разница некритична?
Участники ИТЭР действительно сильно отличаются и по историческому опыту работ в области УТС, и по уровню наработок сегодняшнего дня. Возьмём Индию – она полноценный член ИТЭР, но у них никогда не было и нет своих активно работающих токамаков. Если же взять другую страну-участницу – Южную Корею, то там есть замечательный токамак KSTAR, которому недавно исполнилось 10 лет. KSTAR весьма эффективно работает, но он всего один. В СССР до ИТЭР было около 20 токамаков, позволивших получить колоссальный опыт: в Курчатовском институте, в ТРИНИТИ, в ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН, Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН в Новосибирске (там, правда, открытые ловушки, но установки тоже плазменные). Однако если говорить о дне сегодняшнем, лидерство в исследованиях управляемого термоядерного синтеза принадлежит Европе. Самый крупный и единственный в мире токамак, на котором проводится дейтерий-тритиевый эксперимент, – это общеевропейский токамак JET, расположенный в Англии. Кроме того, в Европе недавно построили установку Wendelstein 7-X – очень перспективный стелларатор. Европа сегодня очевидный лидер с точки зрения количества проводимых термоядерных экспериментов. Япония совместно с Европой в следующем году планируют запустить токамак JT-60SA, который станет самым крупным в мире (сейчас самый большой JET). В этом смысле Японию также можно относить к числу лидеров. Я сказал бы, лидером является и Россия, но, чтобы закрепить и не потерять свои позиции, нам нужно начать реализовывать свою термоядерную программу. Ведь партнёры, Япония, Корея, Европа, реализуют собственные национальные термоядерные программы. А мы её пока только составили и надеемся, что она в ближайшее время начнёт реализовываться. Если говорить о США, то там своего рода «кризис жанра»: идёт очень много обсуждений, какую машину строить, но конкретное решение до сих пор не принято. В то же время, несмотря на «кризис», у них есть две работающие установки DIII-D NSTX-U, каждая из которых крупнее любой из наших, хотя в своё время мы были равными партнёрами-соперниками по развитию УТС. Если говорить интегрально, на тех маленьких токамаках, которые у нас есть, реализуется довольно много новых идей. С точки зрения физики мы – в клубе ведущих стран, а вот с точки зрения технологии реальные прорывные задачи мы сможем решать лишь при наличии большой мощной установки. Для этого нужна новая крупная машина. И в этом смысле мы начинаем отставать – без мощной установки невозможно дальнейшее развитие технологий. Наша программа по развитию УТС как раз и сформирована с целью решить эту проблему путём строительства гибридного реактора, начав с создания его плазменной части в виде токамака с реакторными технологиями.
Давайте попробуем быть оптимистами и предположим, что нацпроект одобрят, выделят деньги на программу УТР. Когда в этом случае можно ждать первых результатов?
Если будет выделено финансирование, то к 2035–2040 годам мы вполне можем иметь работающий прототип такого гибридного реактора. Прототип даст возможность строительства ориентировочно к 2050 году уже работающего промышленного образца. Примерно такие же сроки по планам создания «ДЕМО» у наших партнёров.
Но есть одно весьма важное отличие. Если мы говорим про «ДЕМО» – европейскую, японскую, корейскую, – эти установки создаются для производства электроэнергии. Если же речь идёт о гибриде, который планируется построить в России, то это многофункциональная машина. Помимо производства электроэнергии, её можно использовать для переработки высокорадиоактивных и долгоживущих отходов от работы ядерных реакторов, так называемых минорных актинидов. Их необходимо захоронить, но многие учёные считают, что более практично их сначала переработать, трансмутировать из долгоживущих в короткоживущие, и уже после этого захоронить. В этом случае они потеряют свою радиоактивность за относительно короткое время. Чтобы эти минорные актиниды перевести в короткоживущие можно организовать их трансмутацию в потоках нейтронов. Например, если часть «одеяла» будет содержать минорные актиниды, то у гибридного реактора появится ещё одна функция: дожигание отходов отработанного ядерного топлива. Ещё одна потенциальная возможность использования гибридной машины – наработка ядерного топлива. Сегодня атомная энергетика использует 235-й уран, доля которого в природном уране меньше 1%. Если мы найдём способ использовать 238-й уран, то сможем существенно расширить топливные возможности атомной энергетики. Поэтому, как вариант, часть «бланкета» может быть начинена ураном-238 для наработки плутония-239 или торием-232 для наработки урана-233. В идеале гибридный реактор может не только производить электричество, но и ядерное топливо для атомной энергетики, а также осуществлять трансмутацию минорных актинидов, что существенно повышает его функциональность по сравнению с «ДЕМО».
На ваш взгляд, управляемая термоядерная реакция – это самый эффективный перспективный источник энергии, который человечество сможет освоить в обозримом будущем?
Мы сжигаем газ на ТЭЦ, получаем тепло, но газ небесконечен, месторождения исчерпываются, при этом газ применим и в химической промышленности, это дорогое сырьё с точки зрения потребителя. Если говорить про ядерную энергетику, то мы сжигаем 235-й уран, запасы которого, как я уже говорил, тоже ограничены. До конца XXII века этого топлива, конечно, хватит. Но человечество, если не случится глобального катаклизма, собирается жить на Земле гораздо дольше, а энергопотребление будет только расти. Поэтому необходимо уже сегодня искать стратегическое, длительное решение по энергообеспечению. Плюс термоядерного реактора – неограниченность запасов топлива, на котором он работает: дейтерия и трития. Дейтерий находится в воде Мирового океана, он фактически неисчерпаем. Тритий мы умеем делать из лития-6, который также доступен и существует в необходимых количествах. Второй плюс, не менее важный, доступность – Мировой океан занимает ¾ поверхности планеты. Поэтому странам не надо воевать и бороться за месторождения, но необходимо конкурировать в развитии технологий. И третье, важнейшее, преимущество – отсутствие радиоактивных отходов. В ядерной энергетике есть термин «вероятность аварии, при которой потребуется отселение населения региона». Это самое страшное и самое тяжёлое последствие инцидента на АЭС. В термоядерной энергетике радиоактивных отходов, которые могут вызвать заражение местности, не производится в принципе. И при любой аварии термоядерный реактор просто гаснет, он не может взорваться. Самая сложная авария – плазма горела и потухла. А из отходов остаются лишь активированные конструкции, окружавшие реактор. Они находятся внутри бункера, обычно это бетонный зал с толщиной стен порядка трёх метров. Нет опасности, нет необходимости эвакуации населения. Это колоссальное преимущество термоядерной энергетики перед ядерной. Ещё раз повторю главные плюсы: неисчерпаемость компонентов топлива, их равномерное распределение по Земле, отсутствие радиоактивных отходов и безопасность. При этом необходимо помнить про страны Азии и Африки, где сегодня существует колоссальный дефицит энергии. И тот, кто первым выйдет на этот огромный рынок с предложением энергетических решений, получит серьёзное конкурентное преимущество. Рано или поздно мы всерьёз начнём осваивать космос и Мировой океан, который, к слову, практически не исследован. Всё это потребует колоссального развития энергетики. И она должна представлять собой компактные, но очень мощные с точки зрения производства энергии аппараты. Нам остаётся лишь констатировать факт: полноценное развитие человечества в XXII веке без термоядерных источников энергии просто невозможно!
