Встреча глав США и СССР в 1985 году подарила миру один из самых претенциозных технологических проектов: экспериментальный термоядерный реактор ITER («путь»). В Провансе, на юге Франции, тыс ученых и строителей готовят комплекс для научных экспериментов, способных открыть населению земли дорогу к термоядерным электростанциям будущего.
Термоядерный синтез (процесс соединения или объединения ранее разрозненных вещей или понятий в целое или набор) давно потряхивает умы. В теории, такие электростанции могут быть вчетверо эффективнее современных атомных, при этом еще чище и безопаснее. У них нет проблем с неконтролируемыми цепными реакциями и сильно радиоактивными отходами, а топливом может служить морская вода.
Над многомиллиардным спецпроектом работают: ЕС (46% расходов), США, Россия, Индия, Китай, Южная Корея и Япония (абсолютно каждая – по 9%). Если обойдется без очередных задержек и проблем с финансированием, то ITER заработает уже в конце 2025 – 40 лет спустя переговоров Рональда Рейгана и Михаила Горбачева в Женеве.
Как это работает
Термоядерная энергетика пробует скопировать процессы, которые происходят внутри звезд: там, при сверхвысоких температурах и давлении, соединяются ядра изотопов водорода и выделяют огромную энергию.
Чтобы достигнуть этого на Земле, необходимы особые условия (например, температура в 10 раз немалая, чем в ядре Солнца) – их создают в термоядерном реакторе. В его основе, по последней мере, по самой распространенной схеме, которую использует ITER – токамак, по форме напоминающая бублик вакуумная камера с магнитными катушками. 1-ые токамаки появились в СССР еще в 1960-х, для ITER построят самый большой токамак в мире объемом 830 м3.
В токамак запускают дейтерий и тритий, и разогревают до температур выше 150 миллионов градусов Цельсия. Газ превращается в плазму, а чтобы плазма таковой температуры не сожгла все вокруг, ее удерживают на расстоянии от стенок магнитным полем; буквально через саму плазму пропускают ток. Мощное магнитное поле обеспечивают, в личную очередь, сверхпроводящие магниты, которые нужно охладить в вакуумной камере до фактически абсолютного нуля – 268°C. Физически же они будут находиться буквально в полметре от раскаленной до 150 000 000°C плазмы. Обеспечить беспроблемную работу техники в таких критериях — сложнейшая инженерная задача.
Современные токамаки (тороидальная установка для магнитного удержания плазмы с целью достижения условий, необходимых для протекания управляемого термоядерного синтеза) выделяют меньше энергии, чем расходуется на разогрев системы, для генерации их пока приспособить не получается. Лучший результат – у английского JET, который возвращает до 67% затраченной энергии. За счет масштаба конструкции ITER (это будет громила высотой с девятиэтажный дом, и примерно такого же диаметра), создатели рассчитывают, что реактор (устройство, действующее на основе различных типов реакций (физических, химических, биологических и т. п.) Виды реакторов: Биореактор — прибор, осуществляющий перемешивание культуральной среды в) сумеет выделять энергии в десять раз больше, чем расходуется на нагрев плазмы (отдавать 500 МВт с 50 МВт). Данный момент – принципиальный для построения термоядерных электростанций в будущем.
Но ITER не будет создавать электричество: вся выделенная энергия уйдет лишь на нагрев стенок токамака. Хотя если опыты с ITER пройдут успешно, следующим этапом (с 2030 года) станет макет термоядерного реактора для электростанций, DEMO – они должны появиться в 2040-50-х годах. О желании выстроить такие реакторы заявили Индия, Россия, Южная Корея и Япония.
Важная цель ITER – показать возможность генерации энергии термоядерным реактором. Для этого нужно будет обеспечить управляемое производство «горящей плазмы (ионизированный газ, одно из четырёх классических агрегатных состояний вещества)» (с ней реакция синтеза будет самоподдерживающейся) и достигнуть самовоспроизводства трития, достаточно редкого изотопа использующегося в качестве горючего. Кроме того, ITER должен продемонстрировать, насколько готовы современные технологии к строительству коммерческих термоядерных электрических станций, а также позволит оценить их надежность и безопасность.
Безопасность – одно из главных преимуществ термоядерных реакторов над привычными ядерными. Здесь невозможна цепная реакция с последствиями: в случае заморочек плазма мгновенно остынет и затухнет, отмечают в ITER.
Куда лучше обстоят дела и с радиоактивностью горючего: тритий, слабый источник бета-излучения, будет генерироваться прямо в реакторе. Конструкция реактора при этом подразумевает несколько барьеров для возникающих в процессе работы радиоактивных веществ. Период полураспада радиоактивных отходов для большинства изотопов в термоядерном реакторе составляет около 10 лет, тогда как для отдельных элементов отработанного ядерного топлива эти значения могут составлять тысячи и даже миллионы лет.
С нуля до 63%
В ноябре 1985 года (внесистемная единица измерения времени, которая исторически в большинстве культур означала однократный цикл смены сезонов (весна, лето, осень, зима)) на встрече в Женеве фавориты США и СССР договорились о совместном исследовании термоядерной энергии в мирных целях – это и стало началом спецпроекта. Уже через год был Евроатом, СССР, США и Японией подписали договор.
Работа над конструкцией ITER началась в 1988 году и длилась до утверждения финальной версии в 2001-м.
В 2003 году к консорциуму для работы (может означать: Работа — функционирование какой-либо системы — механизма, биоценоза, организма или общности, — а также её части) над ITER присоединились Китай и Южная Корея, в 2005-м – Индия. Тогда же избрали и место для строительства: окрестности Сен-Поль-ле-Дюранс в Провансе, Франция, близ научно-исследовательского центра ядерной энергетики Кадараш.
Межгосударственное соглашение о сотворении ITER подписали министры стран-участниц 21 ноября 2006 года, а в октябре 2007 начала работу организация ITER Organization – юридическое лицо, ответственное за строительство, работу и следующий демонтаж реактора.
Площадку начали готовить еще в 2007-м, строить – в 2010-м. Параллельно страны-участницы стали работать над элементами спецкомплекса ITER: Индия строит для проекта криостат, в США разрабатывают центральную магнитную катушку (ее силы хватит чтобы поднять авианосец ), ЕС и Корея готовят вакуумную камеру, Китай с РФ поставляют сверхпроводники (всего понадобится 100 000 км таких проводников), часть катушек и разные электротехнические компоненты, Япония готовит катушки тороидального поля.
По состоянию на конец июня 2019 года спецпроект был готов «более чем на 63%», отмечали в ITER Organization. Завершены более 70% построек, началась установка первых компонентов самого реактора. Полноценно фаза спец монтажа должна начаться в следующем году, по мере постройки и доставки всех нужных компонентов: например, Китай 23-го сентября построил первую 400-тонную магнитную катушку, ее доставят на место строительства ITER к декабрю.
По трудности и технологичности ITER превосходит многие масштабные научные стройки века, в том числе Большой адронный коллайдер.
«Коллайдер – это вообще всего лишь вакуумная установка, в которой ускоряется пучок протонов, это задачка более простого уровня. ITER – это физика плазмы, а плазма – это столько степеней свободы, столько неустойчивостей, со всеми ними нужно справиться, – рассказал Радио Свобода глава российского агентства спецпроекта ITER Анатолий Красильников. – С точки зрения большого кол-ва параметров, которые надо одновременно учитывать, ITER, конечно, намного более непростая проблема, чем коллайдер. Ну и ITER подороже».
Столь сложный международный спецпроект на базе передовых технологий действительно дорог. Если на старте бюджет спецпроекта оценивался в €5 млрд, то к 2017-му он уже успел перешагнуть отметку в €20 млрд: общую цифру трудно оценить, так как правительства сами определяют уровень расходов на те или иные составляющие, ими производимые. Участники проекта перечисляют не деньги, а передают построенные составляющие.
Не только ITER
Бублик-токомак – не единственный вариант для термоядерного синтеза, рассматриваемый наукой. Альтернативные методы изучают не только в крупных государственных учреждениях, но и в небольших стартапах. Их на данный момент в мире, по оценкам Bloomberg, больше двух десятков. Однако пока о больших прорывах и контролируемом производстве энергии в коммерческих масштабах пока гласить не приходится.
Ближайший аналог токомака – стелларатор, также торообразная, «бубликоподобная» система, при всем собственном сходстве не требующая поддерживать в плазме ток. У подобной установки свои плюсы и минусы, самая большая и успешная на данный момент – немецкая Wendelstein 7-Х. На ней немецкие исследователи установили ряд рекордов, хотя по чертам и масштабу до ITER ей далеко.
Стартап Commonwealth Fusion Systems, основанный выходцами из MIT, обещает выстроить гораздо меньший, более дешевый, при этом ненамного менее действенный, чем ITER, реактор на токомаке – SPARC. Как это им удастся? Ученые надеются применить новые высокотемпературные сверхпроводники и собираются показать решения уже в ближайшие два года.
Еще один необычный вариант – термоядерный синтез с инерционным удержанием. В нем используются лазеры, со всех сторон «обжимающие» и нагревающие маленькую топливную капсулу дейтерия импульсами, имитируя процессы, происходящие при взрыве водородной бомбы. Наикрупнейшая в мире научная организация, применяющая этот подход – Национальный центр зажигания (National Ignition Facility) в США, там для этих целей употребляют 193 пучка мощных лазеров.
Канадская General Fusion и американская Tri Alpha Energy употребляют собственные, еще более экзотические способы термоядерного синтеза но увы, до сих пор готовых к коммерческой эксплуатации решений пока никто не представил.
Для чего и когда?
Критики считают, что термоядерный синтез – слишком дорогое и коммерчески неэффективное предприятие, а вкладывать призывают, к примеру, в возобновляемую энергетику. В ITER не отрицают ее важности, но подчеркивают, что создание новейших чистых источников энергии с постоянным уровнем генерации (не зависящем, скажем, от числа солнечных дней или силы ветра), остается принципиальной задачей. Термоядерная энергия не заменит возобновляемую, но будет вместе с ней служить еще более успешной альтернативой традиционным «грязным» источникам энергии (скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие), считают в ITER.
Вопрос только лишь когда это произойдет. Первый пуск запланирован на декабрь 2025 («наилучшая технически достижимая датой»”) с использованием водорода, далее будет добавляться гелий, дейтерий и в конце концов полноценная работа на дейтерии-тритии планируется в 2035-м: лишь тогда можно будет достигнуть десятикратной отдачи по мощности. Даты завершения проекта уже сдвигались, и с учетом его трудности навряд ли можно быть уверенным, что не случится новых задержек. К тому же, невзирая на все попытки, на нынешнем этапе развития технологий термоядерный синтез может оказаться очень дорогим для промышленного применения.
Скептики ехидничают, что «термояд – источник энергии грядущего, и всегда останется таковым». Уже через несколько лет человечество сможет остудить пыл скептиков или вновь подкрепить их позиции.
Беря во внимание сложность темы, навряд ли кто-то готов гарантировать сроки в схожих проектах. Один из пионеров отрасли, советский академик Лев Арцимович, на вопрос о том, когда же появится термоядерная энергетика, отвечал просто напросто: «Тогда, когда она станет действительно необходима человечеству».
Напомним, что к 2040 году Китай начнет производить энергию термоядерного синтеза. Пока Китай готовится перезапустить после 3-х летнего моратория свою заглохшую ядерную программу, ученые из лаборатории района Хэфэй вместо грубого расщепления атомов занимаются ядерным синтезом, мечтая «поместить Солнце в коробку».
Ранее ЭлектроВести писали, что изучение Google похоронило мечту о холодном ядерном синтезе. Потратив 10 млн баксов на эксперименты, компания не обнаружила никаких доказательств, что ядерный синтез можно выполнить при комнатной температуре. Тем не менее, инвестиции не пропали даром.