Зажечь звезду
РОСАТОМ СЕГОДНЯ / #5_2020
Текст: Ольга ГАНЖУР / Фото: Iter.org
В конце июля во Франции состоялась торжественная церемония, посвященная началу монтажа оборудования Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР). Президент России Владимир Путин назвал проект «ярким примером эффективного и взаимовыгодного сотрудничества». Вспоминаем, как развивались работы по термоядерному синтезу в нашей стране, и оцениваем перспективы.
Термоядерный синтез — это процесс, в котором ядра легких атомов сливаются, образуя более тяжелые атомы. Слияние сопровождается выделением большого количества энергии. Люди давно мечтают научиться управлять этим процессом и создать эффективный, коммерчески выгодный термоядерный реактор — это откроет человечеству путь к экологически чистому и практически неисчерпаемому источнику энергии: топливом для такой установки могут служить дейтерий и тритий — изотопы водорода, которого на нашей планете очень много. Пример природного термоядерного реактора — Солнце: ядра водорода сливаются в гелий с выделением энергии. Но построить искусственное Солнце на Земле не так просто: чтобы смоделировать эту реакцию на нашей планете, необходимо разогреть газ до температуры в 10 раз выше, чем в центре светила, — до 150 млн градусов!
Наша страна — родина научных работ по управляемому термоядерному синтезу. В 1950 году советский ученый Олег Лаврентьев декларировал возможность использования управляемого термоядерного синтеза. Вдохновившись этой идеей, советские физики Андрей Сахаров и Игорь Тамм предложили теоретическую основу термоядерного реактора. Они сформулировали принципы термоизоляции плазмы магнитным полем и рассчитали первые модели магнитного термоядерного реактора тороидальной формы, трансформировавшегося впоследствии в токамак (тороидальная камера с магнитными катушками). Этот термин, кстати, придумал в 1957 году Игорь Головин, ученик Курчатова.
Токамаки стали главным и наиболее перспективным направлением работ по управляемому термоядерному синтезу (УТС) сначала в нашей стране, а затем и во всем мире.
Первый токамак запустили в СССР в конце 1950-х годов, а сегодня в мире построено уже более 300 таких установок. Самый большой и мощный токамак сооружается на юге Франции, в исследовательскомцентре Кадараш. Это международный термоядерный реактор ИТЭР.
Отец-основатель атомной отрасли Игорь Курчатов еще в 1956 году высказал идею о необходимости сотрудничества атомщиков разных стран для решения проблемы УТС. В середине 1980-х с подачи СССР началось обсуждение международного сотрудничества для сооружения экспериментального термоядерного реактора, ведь для создания по-настоящему масштабной установки нужны большие средства и лучшие умы. В 1992 году было подписано четырехстороннее (Европейское сообщество, Россия, США, Япония) межправительственное соглашение о разработке инженерного проекта ИТЭР; разработка была завершена в 2001 году. В процессе работы к проекту присоединялись все новые страны, сегодня их в общей сложности 35. Площадка была выбрана в 2005 году, на размещение ИТЭР претендовали несколько стран. В 2010 году началось строительство ИТЭР вблизи исследовательского центра Комиссариата по атомной и альтернативным видам энергии. Исследовательский центр называется Кадараш, он находится на юге Франции, в 60 км от Марселя.
Наша страна — родина научных работ по управляемому термоядерному синтезу. В 1950 году советский ученый Олег Лаврентьев декларировал возможность использования управляемого термоядерного синтеза. Вдохновившись этой идеей, советские физики Андрей Сахаров и Игорь Тамм предложили теоретическую основу термоядерного реактора. Они сформулировали принципы термоизоляции плазмы магнитным полем и рассчитали первые модели магнитного термоядерного реактора тороидальной формы, трансформировавшегося впоследствии в токамак (тороидальная камера с магнитными катушками). Этот термин, кстати, придумал в 1957 году Игорь Головин, ученик Курчатова.
Токамаки стали главным и наиболее перспективным направлением работ по управляемому термоядерному синтезу (УТС) сначала в нашей стране, а затем и во всем мире.
Первый токамак запустили в СССР в конце 1950-х годов, а сегодня в мире построено уже более 300 таких установок. Самый большой и мощный токамак сооружается на юге Франции, в исследовательскомцентре Кадараш. Это международный термоядерный реактор ИТЭР.
Отец-основатель атомной отрасли Игорь Курчатов еще в 1956 году высказал идею о необходимости сотрудничества атомщиков разных стран для решения проблемы УТС. В середине 1980-х с подачи СССР началось обсуждение международного сотрудничества для сооружения экспериментального термоядерного реактора, ведь для создания по-настоящему масштабной установки нужны большие средства и лучшие умы. В 1992 году было подписано четырехстороннее (Европейское сообщество, Россия, США, Япония) межправительственное соглашение о разработке инженерного проекта ИТЭР; разработка была завершена в 2001 году. В процессе работы к проекту присоединялись все новые страны, сегодня их в общей сложности 35. Площадка была выбрана в 2005 году, на размещение ИТЭР претендовали несколько стран. В 2010 году началось строительство ИТЭР вблизи исследовательского центра Комиссариата по атомной и альтернативным видам энергии. Исследовательский центр называется Кадараш, он находится на юге Франции, в 60 км от Марселя.
Из чего состоит ИТЭР
Главная часть реактора — токамак. Сердце токамака — вакуумная камера в форме своеобразного «бублика» — тора. Внутри под действием высокой температуры газообразное водородное топливо становится плазмой, то есть ионизированным газом с одинаковой суммарной плотностью положительных ядер и отрицательных электронов. Частицы плазмы нагреваются, ускоряются и сливаются. В результате слияния ядер дейтерия и трития образуются одно ядро гелия, один нейтрон и большое количество энергии. Ядро гелия уносит электрический заряд, а значит, под действием магнитного поля оно остается в пределах плазмы и способствует ее непрерывному нагреву.
Около 80% энергии уходит с нейтроном, который не имеет электрического заряда и потому не подвержен влиянию магнитных полей. Эти нейтроны поглощаются в стенках токамака, где их кинетическая энергия преобразуется в тепло. Чтобы удерживать раскаленную реакционную смесь, в ИТЭР применяют катушки — 18 тороидальных, шесть полоидальных, 18 корректирующих и один центральный соленоид. Катушки создают магнитные поля, удерживающие плазму.
Около 80% энергии уходит с нейтроном, который не имеет электрического заряда и потому не подвержен влиянию магнитных полей. Эти нейтроны поглощаются в стенках токамака, где их кинетическая энергия преобразуется в тепло. Чтобы удерживать раскаленную реакционную смесь, в ИТЭР применяют катушки — 18 тороидальных, шесть полоидальных, 18 корректирующих и один центральный соленоид. Катушки создают магнитные поля, удерживающие плазму.
Сегодня в реализации проекта участвуют: Европейский союз, Китай, Индия, Япония, Республика Корея, Российская Федерация и США. Участие сторон заключается прежде всего в изготовлении и поставке в Международную организацию ИТЭР высокотехнологичного оборудования. Объединенная Европа, как сторона-хозяйка, вносит 45% стоимости сооружения установки, остальные страны, включая Россию, — по 9%.
Российским специалистам поручено производство 25 уникальных систем будущей установки; в разработке и изготовлении оборудования ИТЭР задействованы более 35 ведущих научно-технических учреждений, предприятий и комплексов во многих городах страны. Ряд предприятий производят низкотемпературные сверхпроводники для магнитной системы удержания плазмы. Кроме того, российские предприятия разработали и изготовили девять систем измерения параметров плазмы, коннекторы, компоненты дивертора и т. д. (Дивертор — часть внутренней поверхности токамака, принимающая на себя основные потоки тепла и частиц, т. е. самая энергонапряженная конструкция в этой экстремальной машине. — Прим. ред.) Россия также работает над материалами и сварными соединениями, которые должны выдерживать мощные тепловые потоки. Россия выполняет все обязательства строго по графику; далеко не все партнеры ИТЭР могут этим похвастаться.
Участие в проекте крайне важно для нашей страны. ИТЭР — локомотив развития высокотехнологичных производств и исследований. Например, до старта проекта в мире выпускали 15 тонн сверхпроводников в год, а в России не было производства сверхпроводников вообще. Теперь только Чепецкий механический завод Росатома может ежегодно выпускать порядка 60 тонн сверхпроводников. Создавая оборудование для реактора, отправляя специалистов во Францию, Россия создает наработки для внутренней термоядерной программы.
Российским специалистам поручено производство 25 уникальных систем будущей установки; в разработке и изготовлении оборудования ИТЭР задействованы более 35 ведущих научно-технических учреждений, предприятий и комплексов во многих городах страны. Ряд предприятий производят низкотемпературные сверхпроводники для магнитной системы удержания плазмы. Кроме того, российские предприятия разработали и изготовили девять систем измерения параметров плазмы, коннекторы, компоненты дивертора и т. д. (Дивертор — часть внутренней поверхности токамака, принимающая на себя основные потоки тепла и частиц, т. е. самая энергонапряженная конструкция в этой экстремальной машине. — Прим. ред.) Россия также работает над материалами и сварными соединениями, которые должны выдерживать мощные тепловые потоки. Россия выполняет все обязательства строго по графику; далеко не все партнеры ИТЭР могут этим похвастаться.
Участие в проекте крайне важно для нашей страны. ИТЭР — локомотив развития высокотехнологичных производств и исследований. Например, до старта проекта в мире выпускали 15 тонн сверхпроводников в год, а в России не было производства сверхпроводников вообще. Теперь только Чепецкий механический завод Росатома может ежегодно выпускать порядка 60 тонн сверхпроводников. Создавая оборудование для реактора, отправляя специалистов во Францию, Россия создает наработки для внутренней термоядерной программы.
Что, если не токамак?
Токамак — не единственная рассматриваемая конструкция термоядерного реактора. Существуют две принципиальные схемы осуществления управляемого термоядерного синтеза. Первая — квазистационарные системы, в которых нагрев и удержание плазмы осуществляются магнитным полем при относительно низком давлении и высокой температуре. Для этого применяются реакторы в виде токамаков, стеллараторов и зеркальных ловушек, различающиеся конфигурацией магнитного поля. Вторая — импульсные системы. В этих системах управляемый термоядерный синтез осуществляется путем кратковременного нагрева небольших мишеней, содержащих дейтерий и тритий, сверхмощными лазерными лучами или пучками высокоэнергичных частиц (ионов, электронов). Такое облучение вызывает последовательность термоядерных микровзрывов. Стоит отметить, что токамак сегодня — наиболее проработанная концепция, однако и другие варианты могут оказаться перспективными.
Изначально реактор планировали запустить в 2016 году, но сроки пришлось перенести. Сейчас пуск реактора и получение на нем первой плазмы планируются на 2025 год.
ИТЭР — экспериментальный термоядерный реактор. Если его запуск и эксперименты на нем пройдут успешно, то следующим шагом станет сооружение демонстрационного реактора DEMO. Его задача — демонстрация коммерческой привлекательности термоядерной энергетики. Если на ИТЭР планируется получить 500 МВт энергии от синтеза ядер в течение как минимум 500 секунд, то для DEMO целью станет достижение непрерывной генерации на уровне 2 ГВт. DEMO будет первым термоядерным реактором, генерирующим электричество (в ИТЭР тепловая энергия просто рассеивается в пространстве). Предполагается, что DEMO будет на 15% больше ИТЭР по линейным размерам, плотность плазмы в нем будет выше на треть.
ИТЭР — экспериментальный термоядерный реактор. Если его запуск и эксперименты на нем пройдут успешно, то следующим шагом станет сооружение демонстрационного реактора DEMO. Его задача — демонстрация коммерческой привлекательности термоядерной энергетики. Если на ИТЭР планируется получить 500 МВт энергии от синтеза ядер в течение как минимум 500 секунд, то для DEMO целью станет достижение непрерывной генерации на уровне 2 ГВт. DEMO будет первым термоядерным реактором, генерирующим электричество (в ИТЭР тепловая энергия просто рассеивается в пространстве). Предполагается, что DEMO будет на 15% больше ИТЭР по линейным размерам, плотность плазмы в нем будет выше на треть.
И для ИТЭР, и для себя
В нашей стране исследования в области УТС в последние десятилетия были связаны в основном с международным проектом ИТЭР. Однако сейчас в России разрабатывается большая национальная термоядерная программа. Она предполагает, в частности, запуск двух новых термоядерных установок.
На конец 2020 года запланирован запуск первой за последние 20 лет российской термоядерной установки — токамака Т‑15МД. Строительство ведет Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт». Т‑15МД станет гибридной установкой, то есть будет сочетать элементы термоядерного и ядерного реакторов. Бланкет (устройство, расположенное за областью реакции синтеза, предназначенное для использования нейтронов, генерируемых в этой реакции) такого реактора состоит из двух зон. В первой зоне — делящиеся вещества (уран или торий), во второй — литийсодержащие вещества для воспроизводства сгоревшего в плазме трития. Такие реакторы могут использоваться с целью наработки трития для термоядерного реактора и наработки ядерного топлива для реакторов на тепловых и быстрых нейтронах (239Pu и 233U).
В ГНЦ РФ «ТРИНИТИ» есть уникальная установка — токамак с сильным полем. На его базе планируется к середине 2030-х годов построить машину нового поколения — токамак реакторных технологий. Вместе с токамаком Т‑15МД он позволит создать в России мощную экспериментальную базу в области управляемого термоядерного синтеза и обеспечит нам статус одного из лидеров в мире в этом направлении.
Другие темы НИОКР по плазме и термоядерному синтезу в России — изучение возможностей использования плазмы для модификации материалов, разработка термоядерных источников нейтронов, безэлектродного плазменного ракетного двигателя для космических кораблей. Совместно с Курчатовским институтом и институтами РАН ученые Росатома планируют исследования по гибридным термоядерным технологиям и системам, инновационным плазменным технологиям, лазерному термоядерному синтезу.
В нашей стране исследования в области УТС в последние десятилетия были связаны в основном с международным проектом ИТЭР. Однако сейчас в России разрабатывается большая национальная термоядерная программа. Она предполагает, в частности, запуск двух новых термоядерных установок.
На конец 2020 года запланирован запуск первой за последние 20 лет российской термоядерной установки — токамака Т‑15МД. Строительство ведет Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт». Т‑15МД станет гибридной установкой, то есть будет сочетать элементы термоядерного и ядерного реакторов. Бланкет (устройство, расположенное за областью реакции синтеза, предназначенное для использования нейтронов, генерируемых в этой реакции) такого реактора состоит из двух зон. В первой зоне — делящиеся вещества (уран или торий), во второй — литийсодержащие вещества для воспроизводства сгоревшего в плазме трития. Такие реакторы могут использоваться с целью наработки трития для термоядерного реактора и наработки ядерного топлива для реакторов на тепловых и быстрых нейтронах (239Pu и 233U).
В ГНЦ РФ «ТРИНИТИ» есть уникальная установка — токамак с сильным полем. На его базе планируется к середине 2030-х годов построить машину нового поколения — токамак реакторных технологий. Вместе с токамаком Т‑15МД он позволит создать в России мощную экспериментальную базу в области управляемого термоядерного синтеза и обеспечит нам статус одного из лидеров в мире в этом направлении.
Другие темы НИОКР по плазме и термоядерному синтезу в России — изучение возможностей использования плазмы для модификации материалов, разработка термоядерных источников нейтронов, безэлектродного плазменного ракетного двигателя для космических кораблей. Совместно с Курчатовским институтом и институтами РАН ученые Росатома планируют исследования по гибридным термоядерным технологиям и системам, инновационным плазменным технологиям, лазерному термоядерному синтезу.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ #5_2020