Термоядерный синтез: энергия будущего

Евгений Велихов, академик РАН, лауреат международной премии «Глобальная энергия», президент Российского научного центра «Курчатовский институт», председатель Совета ITER.

Сегодня большой интерес в мире вызывает уникальный международный проект ИТЭР, направленный на строительство первого международного экспериментального термоядерного реактора, крупнейшего в мире токамака (ТОроидальная, КАмера, МАгнитные Катушки). Целью проекта является демонстрация технологической возможности использования термоядерной энергии в промышленных масштабах. Первоначально название ITER было образовано как аббревиатура от английского названия International Thermonuclear Experimental Reactor (международный термоядерный экспериментальный реактор). В настоящее время оно официально не считается сокращением, а связывается с латинским словом iter, которое можно перевести как «путь». Сам проект уникален тем, что в нем ярко выражено сотрудничество всех наиболее развитых стран, а также Мексики и Бразилии. Для проекта стоимостью 10 млрд. евро создана организация, в состав которой входят более 500 профессионалов, руководящая строительством, начатым на юге Франции в Провансе.

Так как же это все начиналось?

В центре Солнца из ядер обычного водорода сначала образуется его тяжелый изотоп дейтерий, из которого в ходе серии дальнейших реакций рождается гелий. Масса ядра гелия на 0,7% меньше массы ядер водорода, из которых оно образовалось. По формуле Эйнштейна Е = mc2 эта разница в массе превращается в энергию. Вот эту энергию мы и получаем от Солнца в виде света и тепла.

Но процесс синтеза идет очень медленно. Особенно первый его этап, когда два ядра водорода сливаются в ядро дейтерия. Характерное время этой реакции исчисляется миллиардами лет. Поэтому удельная мощность термоядерных реакций в центре Солнца, как ни странно, совсем невелика – около 200 Вт/м3. Примерно в таком же темпе выделяется энергия в теле человека. Лишь за счет гигантских размеров солнечный термоядерный реактор производит поток энергии, достаточный для поддержания жизни на нашей планете.

Для земной энергетики недостаточно мощности в 200 Вт/м3. К счастью, можно обойтись без самой медленной реакции — синтеза дейтерия, поскольку он существует на Земле в готовом виде. По одному его ядру приходится на 6700 ядер водорода. В каждом кубометре воды содержится 110 кг водорода и 33 г дейтерия. Казалось бы, немного, но если этот дейтерий сжечь в термоядерных реакциях, выделится столько же энергии, как при сгорании 200 т бензина, так что запасы термоядерного топлива на Земле легко доступны и неисчерпаемы.

Все началось более 70 лет назад с предположения, что можно сжигать изотопы водорода, получать гелий и соответствующие элементы. Энергия получается большая. На выходе – дешевые нейтроны. Идея хорошая, но требуется гигантская «солнечная» температура в 150 млн. градусов. И как удержать продукты горения при этой температуре? Сегодня мы умеем это делать, но в конце 20-х годов…

Сама идея возникла в 1928 году, когда аспирант Игорь Тамм был послан в Германию, чтобы закончить диссертацию. Приехав и оглядевшись, он сделал вывод, что ему тут делать нечего: все были заняты созданием современной квантовой механики. Случайно в научном журнале он нашел задачу, связанную с альфа-распадом. Там была обоснована идея, каким образом может вылететь альфа-частица из ядра, если там есть барьер, и высказано предположение, как два электрона, словно два катера, которые буксируют корабль из гавани, вытаскивают альфа-частицу из ядра. Это очень не понравилось Тамму, и, поскольку он немного знал квантовую идею туннельного эффекта, он сразу написал свою знаменитую работу, с которой началась квантовая ядерная физика. Его идею поддержали физики Бор и Резерфорд. Были созданы ускорители, и начались экспериментальные исследования реакции протонов, ускоренных на литии. Подобные исследования проводились и в России: на стыке 20-х и 30-х годов этим занимался Игорь Васильевич Курчатов в Ленинграде.

В 1929 году И. Е. Тамм опубликовал первое издание своего учебника «Основы теории электричества». В этой книге он описал теорию магнитного поля, которая заключается в том, что магнитное поле отличается от электрического. У электрического поля силовые линии уходят в бесконечность или кончаются зарядом. А в магнитном поле они могут занимать замкнутое пространство внутри некого объема. Если это замкнутое пространство, то они могут его практически все заполнить. При определенной симметрии получаются ложные поверхности, из которых, собственно говоря, родилась идея магнитных ловушек. В своем издании он нарисовал «магнитную ловушку» – вложенные друг в друга тороидальные магнитные поверхности, которые получаются, когда течет ток. Если посмотреть на картинку, которая есть в первом издании, то это практически точное изображение токамака.

В 1934 году Георгий Гамов высказал мысль, что протекающие при высокой температуре ядерные реакции могут быть источником энергии, способным в течение миллиардов лет поддерживать звезды в горячем состоянии. Детальную теорию ядерных реакций в звездах развил Ханс Бете в 1938 году. В этих реакциях из ядер водорода синтезируются более сложные ядра других элементов — гелия, лития, бора, углерода. А поскольку их образование происходит при высокой температуре, эти реакции с тех пор называют термоядерным синтезом.

Гамов, с целью объяснения вероятности проникновения альфа-частиц через барьеры, описал альфа-распад и обратные реакции, в которых заряженные частицы проникают в ядро. Он сразу же заинтересовался термоядерным синтезом. Параллельно с Гамовым в 1951 году аспирант Андрей Сахаров рассчитал плазменную и термоядерную часть, а Тамм выдвинул идею замкнутых магнитных ловушек. Вот это как раз и был токамак.

Для термоядерной реакции, с одной стороны, нужны температура и «база», а с другой – вложенные друг в друга магнитные поверхности, которые образуют термоизоляцию этой «базы» в 150 млн. градусов. Конечно, идея токамака тогда не возникла, хотя Тамм задумывался над этим. Потом началась война, и идея, которую он обсуждал с Бухариным, Сахаровым, о том, чтобы сделать термоядерную реакцию на Земле, исчезла. Впоследствии о ней вспомнили, но она стала секретной.

Вначале хотели сделать установку для получения плутония, потому что в термоядерной реакции много нейтронов, которые выгоднее всего использовать для преобразования урана в плутоний. Это была первая идея получения ядерного топлива. Позднее плутоний стали получать в обычных реакторах и постепенно поняли, что военным эти исследования не нужны, и в 1956 году эту технологию рассекретили.

Началась история токамака. Он из себя представляет трансформатор, внутри которого один плазменный виток, по которому течет ток. Были и другие схожие идеи. Американцы начали развивать идею стелларатора. Стелларатор, как и токамак, – это магнитная ловушка с замкнутыми магнитными поверхностями, но, в отличие от токамака, полоидальное магнитное поле, образующее магнитные поверхности, создается в стеллараторе с помощью внешних витков, а не током, протекающим по плазме. Эта магнитная ловушка была изобретена в Принстонской лаборатории в США Л. Спитцером. Там же были построены и первые экспериментальные стеллараторы. Стелларатор имеет большое преимущество перед токамаком – это стационарная машина, которая не требует сложных методов поддержания плазменного тока для ее стационарной работы. В то же время, в отличие от токамака, стелларатор – это принципиально аксиально-несимметричная ловушка с магнитной осью, представляющей собой трехмерную кривую, и переменным, в тороидальном направлении, сечением плазмы.

Тогда мощная программа по созданию термоядерного реактора на основе стеллараторов не была воплощена, так как они не смогли получить «базу». В тот период началась длинная дискуссия по поводу узкой диффузии, о том, что эксперименты надо делать на простых установках, об универсальной неустойчивости. Эта дискуссия продолжалась до тех пор, пока группа ученых во главе с Натаном Наумовичем Явлинским не начала трудиться над созданием токамака. В группу вошли 44 человека, которые и до сегодняшнего дня являются главной командой в России.

С тех пор как в Курчатовском институте был создан первый токамак, он стал очень популярным. Сейчас на планете более ста токамаков. Американцы быстро сориентировались и построили программу, по которой были должны в 2000 году создать в США первую демонстрационную термоядерную электростанцию. Был принят закон, выделялись деньги, но в связи со сменой власти финансирование прекратилось, так как правительство посчитало, что нет необходимости в демонстрационной станции, а частный бизнес тоже не был готов к финансированию. Вся эта огромная программа закрылась, несмотря на вложенные средства (900 млн. долларов в год).

После того как программу закрыли, американцы согласились участвовать в программе по созданию международного термоядерного реактора. Началась эра ИТЭР.

В 1975 году был составлен план развития, в 1978 году договорились о совместном проектировании. Международное агентство по атомной энергии согласилось с тем, чтобы начать проект, который назвали ИНТОР.

В связи с тем что началась война в Афганистане и был недостаток экспериментальной, физической базы для того, чтобы сразу проектировать по-настоящему термоядерный реактор, проект ИНТОР, объединивший ученых США, Европы, Японии, России, создавший термоядерное сообщество, не привел к созданию реактора. Так продолжалось до тех пор, пока к руководству страной не пришел М. С. Горбачев. Он предложил руководителям других стран превратить проект ИНТОР в реальный проект, в термоядерный реактор. В то время Япония и США очень активно готовили проект развития термоядерной энергетики на базе объединения их собственных усилий, без участия Советского Союза. Но у них не получилось. Советский Союз явился катализатором, который снял существующие между ними барьеры. Идею Горбачева поддержали Жак Ширак и Рональд Рейган. Этот проект был принят в ноябре 1985 года и получил название ITER.

Сперва был сделан проект эскизов, для чего был приглашен японец Гельмут Тавогачи, который проектировал реактор на быстрых нейтронах. Проект эскизов делали в Европе. Все понимали, что надо переходить к следующему этапу – рабочему проектированию, но здесь возникли первые трудности. Все участники, кроме Советского Союза, сказали: «Мы за, но проектирование будет происходить у нас». Об этом заявили Европа, Америка и Япония и не шли на компромисс. Наступил первый кризис, пришлось долго договариваться. Была проделана большая работа в каждой стране.

Директор института физики плазмы Декау предложил распределить проектирование между всеми участниками проекта. Интернета тогда не было, поэтому все это было похоже на большую авантюру: связать всех участников электронным образом. Было решено, что базовый центр по проектированию и интеграции будет находиться в Сан-Диего в США, центр по внешней части – в Японии, центр по внутренней части токамака – в Гашенге в Германии, инженерный советский центр был в Москве. Все шло неплохо, хотя не без проблем. Московским центром управлял европейский директор, который так и не смог объединить людей. Его сменил Айвар, который довел этот проект до конца.

В начале 90-х годов в Америке пришли к власти демократы. Председатель комиссии по науке объявил, что он будет поддерживать только те проекты, в которых доминировали США, и они вышли из проекта. С приходом старшего Буша политика вновь поменялась, и американцы опять решили заняться термоядерной энергетикой. Было принято решение войти обратно в ITER. Начался современный этап проекта, на все работы были потрачено около 2 млрд. долларов. Проект до сегодняшнего дня работает на программном обеспечении КАТИА. Эта программа была разработана во Франции и используется во всех сложных проектах. Это не только автоматизированное проектирование, но и шестимерное проектирование бизнес-планов.

В проекте ITER нет разделения на страны, национальность не играет никакой роли, сотрудники проекта – члены одной команды.

Что сейчас происходит?

Сейчас идет строительство, площадка для него уже подготовлена. Заключено более 80% контрактов на поставку оборудования. В ноябре 2019 года планируется получить первую «базу», в 2026 году – зажечь термоядерную реакцию. Вы можете сказать: «2026 год? Это кошмарный срок!» В энергетике это нормальное явление. Например, патент на «быстрый реактор» был получен в 1946 году, но до сих пор его нет. И сейчас непонятно, что быстрее заработает: «быстрый реактор» или ITER.

Проект ITER будет завершен. За это время, до 2026 года, несколько раз поменяется команда, а потом двадцать лет реактор будет эксплуатироваться. Важно подготовить кадры, а это не простая задача: необходимо тесное взаимодействие с ведущими институтами. К сожалению, в настоящее время российских специалистов, занятых в проекте, меньше, чем специалистов других стран. Ближайшая смена кадров произойдет в 2012 году.

Нехорошо заставлять весь мир ждать 2026 года, пока будет получена мощная термоядерная реакция. До 2026 года все забудут про ITER, и будет сложно убедить в его необходимости. Чтобы этого не произошло, нужно постоянно привлекать внимание общественности, показывать успехи. Например, в России будет построен целый ряд реатор, которые позволят реализовать идею, что термоядерные нейтроны можно использовать для замыкания топливного цикла в атомной энергетике. Новейший токамак «ТМ» недавно был построен в Казахстане. Он является первым реактором, предложенным для материалогических исследований, поскольку они определяют всю экономику токамака. Знания, которые черпаются из атомной энергетики, показывают, что если специально не влиять на материал, то он распухает, изменяет свои геометрические размеры. К этому приспособить термоядерный реактор очень трудно. Поэтому материаловедение – это одна из самых важных проблем в термоядерной и атомной энергетике. На месте первого токамака в ближайшее время начнется строительство совершенно нового для научных исследований и продвижения гибридных реакторов.

Итальянец Бруном Путри предложил схему инновационного токамака, очень рискованного, в котором нет дополнительных нагревов, высокого давления, больших полей. Итальянцы за свои деньги, по своему проекту полностью создадут этот термоядерный токамак в Троицке, где все специально подготовлено для термоядерных реакторов с сильным полем, потому что это требует огромного энергопитания, кроме того, речь идет об экспериментах с тритием. Он не такой большой, как те, которые строятся сейчас, и может уместиться в комнате.

Европейцы рассчитывают до конца построить свой СВОРАТУМ. Новые токамаки создаются в Японии, Корее. Китайцы построили хороший классический токамак. У них хорошо работает российский реактор Т-7.

Термоядерный синтез – это энергетика будущего. Реализация проекта ITER – это первый шаг в это будущее. И мы его уже делаем.