Наука и технологии 3 Августа 2020

Самый горячий долгострой эпохи

На прошлой неделе случилось долгожданное, не раз откладываемое событие: началась сборка первого в мире экспериментального термоядерного реактора — ИТЭР
Самый горячий долгострой эпохи
Панорама стройки первого в мире экспериментального термоядерного реактора — ИТЭР
Oak Ridge National Laboratory

Запустить реактор и получить на нем первую плазму планируется в 2025 году. Ко второй фазе работ на ИТЭР — непрерывному режиму работы с дейтерий-тритиевой смесью — планируется перейти еще через десять лет. Но речи о получении электроэнергии на этом реакторе не идет.

Проект — плод совместной работы стран Евросоюза, а также России, США, Индии, Китая, Южной Кореи и Японии. Вклад Евросоюза — 45% стоимости установки, остальные страны вносят по 9%, включая стоимость поставляемого ими оборудования.

В соответствии с ФЗ «О ратификации Соглашения о создании Международной организации ИТЭР по термоядерной энергии» от 2007 года общий вклад России составляет 42,6 млрд рублей на 35 лет, причем бо́льшая часть — это поставки произведенных в России техники и материалов. Россия наряду с другими будет обладать доступом ко всему объему научно-технической информации, наработанной всеми участниками проекта.

magnifier.png Из чепецкой проволоки на подольской площадке Института кабельной промышленности плетут кабель, а в Институте физики высоких энергий в Протвино этот кабель затягивают в специальную защитную конструкцию — трубу кондуит километровой длины, конечный продукт для намотки катушки

В основе ИТЭР — технология токамак (тороидальная камера с магнитными катушками), разработанная советскими академиками Игорем Таммом и Андреем Сахаровым еще в 50-х годах прошлого столетия, и Россия не случайно занимает в проекте одну из ключевых позиций. Наша страна поставила 25 систем для ИТЭР, разработанных и изготовленных 30 ведущими научно-техническими учреждениями и предприятиями, разбросанными по всей стране. В их числе ключевой элемент реактора: одна из 200-тонных катушек полоидального магнитного поля, обеспечивающих контроль положения и формы плазменного шнура. Остальные пять намотали на месте, во французском исследовательском центре Кадараш, причем по технологии петербургского НИИЭФА. В них используются ниобий-титановый материал для сверхпроводящих магнитов, выпускаемый на Чепецком механическом заводе в Глазове. Из чепецкой проволоки на подольской площадке Института кабельной промышленности плетут кабель, а в Институте физики высоких энергий в Протвино этот кабель затягивают в специальную защитную конструкцию — трубу кондуит километровой длины, конечный продукт для намотки катушки. Эту наработку планируется в будущем использовать для выпуска крупногабаритных магнитных систем для сверхпроводниковых накопителей энергии энергоемкостью до одного гигаджоуля. Сами российские ученые называют такой проект, как ИТЭР, своего рода ледоколом, который тащит за собой создание многих новых технологий, и считают, что ряд научных и технических достижений, появившихся благодаря ИТЭР, найдет применение в других областях — ядерной энергетике, тепловой энергетике, двигателестроении, медицине.

Как работает термоядерный реактор

Идею, которая десятилетия беспокоит умы ученых, подсказало Солнце. Там уже пять миллиардов лет происходит термоядерный синтез — из тяжелого изотопа водорода дейтерия образуется гелий. При этом выделяется колоссальное количество энергии. Хватает дейтерия и на Земле, его содержит каждая семитысячная молекулы воды. Причем вещество это вырабатывается недорогим электролизом. Энергия, которую можно было бы получить из дейтерия, находящегося всего лишь в стакане воды, сопоставима с теплом, выделяемым при сгорании 200 литров бензина. Если заставить дейтерий вступить в управляемую термоядерную реакцию, появится практически неиссякаемый источник энергии, запасы топлива для производства которой огромны. Но как поддерживать такую реакцию в течение определенного времени, следить за ней и передавать выделяемую энергию на специальную установку? Реакция потому и называется термоядерной, что возможна лишь при таких энергиях, которые позволяют атомным ядрам преодолеть кулоновские силы электрического отталкивания и сблизиться настолько, чтобы начали действовать ядерные силы притяжения. При таких температурах электроны отрываются от ядер, и вещество переходит в состояние плазмы. В установках с магнитной термоизоляцией (токамаках, стеллараторах и некоторых других установках) высокотемпературную плазму пытаются сжать и удержать от соприкосновения с деталями реактора сильным магнитным полем. В 1950-е академики Сахаров и Тамм провели расчеты и детальные исследования и предложили схему магнитного термоядерного реактора. Такое устройство представляет собой полый бублик (тор), на который намотан проводник, образующий магнитное поле, отсюда и его название — тороидальная камера с магнитной катушкой, сокращенно токамак.

Чтобы разогреть в этом устройстве плазму до нужных температур, с помощью магнитного поля возбуждается электрический ток, сила которого достигает 20 млн ампер. Современные материалы, созданные человеком, имеют дело максимум с 6000 градусов Цельсия (например, в ракетной технике), а при 100 млн градусов испарится любой материал, поэтому удерживать в вакууме плазму от соприкосновения со стенками «бублика» должно магнитное поле очень высокой напряженности. Оно не дает заряженным частицам вылетать за пределы «плазменного шнура» (плазма находится в токамаке в сжатом и перекрученном виде и похожа на шнур), зато образующиеся во время реакции синтеза нейтроны магнитным полем не задерживаются и передают свою энергию внутренним стенкам установки (бланкету), которые охлаждаются водой. Получающийся в результате пар можно направить на турбину, как и в обычных электростанциях.

В начале 1950-х сходные мысли относительно обуздания термоядерной реакции возникли и у работавшего в Принстонской лаборатории Лаймана Спитцера. Он предложил иной способ магнитного удержания плазмы в устройстве, названном «стелларатор». В нем плазма удерживается магнитными полями, но созданными только внешними проводниками, в отличие от токамака, где весомый вклад в создание конфигурации поля привносит ток, текущий по самой плазме.

Первый токамак был построен в Институте атомной энергии в 1954 году. Денег на воплощение идеи сначала не жалели: военные видели в таком реакторе источник нейтронов для обогащения ядерных материалов и производства трития. Первыми неясность перспектив с использованием управляемого термоядерного синтеза поняли военные, и когда в 1956 году, собираясь взять с собой Игоря Курчатова в Великобританию, Никита Хрущев разрешил ему рассекретить работы по этой теме. Игорь Васильевич выступил тогда с блестящим докладом в атомном исследовательском центре в Харуэлле. По сути, это и стало отправной точкой для начала международного научно-технического сотрудничества в этой сфере.

 

Политическая физика

Академик РАН Виталий Гинзбург рассказывал, что в 1950-х лауреата Нобелевской премии, руководителя британской термоядерной программы Джона Кокрофта спросили, когда разрабатываемый учеными реактор даст промышленный ток, и тот ответил: «Через двадцать лет». Похожий вопрос ему задали через семь лет. Ответ был прежним: «Через двадцать лет». Журналисты припомнили Кокрофту слова семилетней давности, но невозмутимый англичанин отшутился: «Вы видите, я не меняю своей точки зрения».

magnifier.png В 1985 году состоялась первая поездка Михаила Горбачева во Францию в качестве генерального секретаря ЦК КПСС, и он с подачи академика Велихова, который его сопровождал, среди прочего предложил президенту Франсуа Миттерану объединить усилия в проекте под названием ИТЭР

История создания международной термоядерной электростанции началась во второй половине 1970-х, когда накопленный опыт работы с токамаками в разных странах дал научно-техническую базу, которая позволяла заглянуть дальше в будущее и понять, что будет представлять собой такая станция. Благодаря экспериментам на советском токамаке Т-10 стало понятно, что время удержания плазмы — а это важнейшая задача управляемого термоядерного синтеза — быстро растет с увеличением сечения плазменного «бублика», а американцы на своем PLT почти достигли температуры термоядерного синтеза. Тогда казалось, что проблема получения термоядерной энергии близка к решению. Но в то же время все понимали, что до запуска строительства энергетической установки надо сначала пройти стадию опытного реактора. Приступили к проектированию таких установок, в частности ОТР, и в нашей стране, и уже тогда велись расчеты, целью которых было понять, что можно сделать, чтобы такая станция могла стать экономически привлекательной. Наброски перспективных машин делались и за границей. Выходило, что строить свой реактор каждой стране по отдельности слишком дорого: это оценивалось примерно в два миллиарда долларов по тем деньгам. Руководитель советской термоядерной программы академик Евгений Велихов призывал объединиться и построить большую опытную установку совместными усилиями. В 1977 году по специальному решению Политбюро ЦК КПСС он выступил от имени Советского Союза на сессии МАГАТЭ и призвал коллег участвовать в разработке международного проекта экспериментальной термоядерной электростанции, причем построить ее изначально предлагалось на территории СССР. Так была запущена программа создания реактора ИНТОР мощностью один гигаватт. Формально она тянулась с 1978 по 1985 год, но вскоре из-за событий в Афганистане начала затухать. Это был первый опыт научно-инженерной притирки, и ученые успели познакомиться с наработками друг друга и понять, что совместно такую установку разрабатывать не только можно, но и целесообразно. Задел, собранный в пяти томах как результат работы над ИНТОР, пригодился в следующем проекте, и с этого начинается история уже собственно ИТЭР.

magnifier.png В 2006 году затраты на сооружение установки оценивались в пять миллиардов евро, к настоящему времени эта цифра выросла, по оценкам, не менее чем втрое. Некоторые специалисты считают, что предстоящие сдвиги сроков запуска ИТЭР могут еще увеличить его стоимость

В 1985 году состоялась первая поездка Михаила Горбачева во Францию в качестве генерального секретаря ЦК КПСС, и он с подачи Велихова, который его сопровождал, среди прочего предложил президенту Франсуа Миттерану объединить усилия в проекте под названием ИТЭР. Позже, в Рейкьявике, эту идею Горбачев обсуждал с президентом США Рональдом Рейганом, затем к переговорам присоединилась Япония. В 1988 году начались разработки концептуального проекта. Переговоры о выборе площадки для строительства ИТЭР шли с 2001 по 2006 год. Если оглянуться на всю историю ИТЭР, то только переговоры заняли не меньше десяти лет. В конце концов дело свелось к двум площадкам — Рокасё в Японии и Кадараш во Франции. С подачи России победил французский Кадараш, где находится один из центров комиссариата по атомной энергии Франции с одним из самых больших токамаков в мире Tore Supra — то есть там уже были и кадры, и налаженная инфраструктура. Двадцать четвертого октября 2007 года официально вступило в силу Соглашение о создании Международной организации ИТЭР, подписанное представителями Европейского сообщества по атомной энергии, правительств Индии, Китая, Республики Корея, России, США и Японии. Еще через три года началась строительство станции.


 

Дольше и дороже

В 2006 году затраты на сооружение установки оценивались в пять миллиардов евро, к настоящему времени эта цифра выросла, по оценкам, не менее чем втрое. Некоторые специалисты считают, что предстоящие сдвиги сроков запуска ИТЭР могут еще увеличить его стоимость. Поначалу первую плазму в установке планировалось получить в 2016 году, потом заговорили о 2018-м, теперь предполагается осуществить пуск через пять лет, а начало постоянной работы с дейтерий-тритиевой смесью отнесено на 2030-е годы.

БИГО.jpg
Генеральный директор ИТЭР Бернар Биго
Wikipedia

Одной из причин всякого рода издержек и задержек называют излишнюю бюрократизацию всего процесса, по этому поводу даже шутили: бюрократия подорвала реактор. Хватало и других причин. Это и авария на «Фукусиме», и изначальный чересчур оптимистический, написанный скорее для политиков, график выполнения работ, который сами ученые еще при утверждении считали фантастическим. В 2006 году при подписании Соглашения о создании Международной организации ИТЭР заявлялось, что инженерный проект завершен и все готово к строительству. Но оказалось, что это не так. Главной же причиной проблем сами разработчики называют то, что люди никогда еще не строили установок с таким объемом финансирования и, главное, такого исключительного уровня инженерно-технологической сложности: реактор состоит из более чем миллиона компонентов, спроектированных и произведенных на сотнях предприятиях десятка стран, которые теперь и предстоит скомпоновать друг с другом с ювелирной точностью, ведь стоит задача удерживать плазму в постоянном режиме при температуре 150 млн градусов. Генеральный директор ИТЭР Бернар Биго называет оставшуюся часть работ самой трудной, сравнимой с составлением огромного трехмерного пазла в условиях жесткого временного графика: «Все аспекты управления проектом, инженерных работ, управления рисками, логистики в процессе сборки реактора должны сочетаться друг с другом с точностью швейцарских часов. Это тот сложный сценарий, которому мы будем следовать в течение нескольких лет».

magnifier.png Генеральный директор ИТЭР Бернар Биго называет оставшуюся часть работ самой трудной, сравнимой с составлением огромного трехмерного пазла в условиях жесткого временного графика: «Все аспекты управления проектом, инженерных работ, управления рисками, логистики в процессе сборки реактора должны сочетаться друг с другом с точностью швейцарских часов»

Что интересно, ИТЭР сейчас уже не считают объектом фундаментальной науки. Естественно, инженерный опыт нарастает только в тесной работе с физиками-экспериментаторами, и ученым хватит работы еще надолго. Тот реактор, который строится в рамках ИТЭР, не случайно называется экспериментальным. Это значит, что он предназначен для получения ответов на многие еще оставшиеся вопросы как по физике, так и по технике. Для этого машину под завязку нагрузят сотнями научно-диагностических приборов. В случае успеха ИТЭР планируется заняться следующим проектом, DEMO — не экспериментальной, а опытно-промышленной версией токамака с выработкой электроэнергии, которую предполагается соорудить в Японии. В этой установке останется только управленческая диагностика, что должно намного ее удешевить. По словам директора учреждения ГК «Росатом» «Проектный центр ИТЭР» (российское агентство международного проекта ИТЭР) Анатолия Красильникова, Курчатовский институт ведет собственный проект DEMO-TIN, но его основной задачей станет выработка не электричества, а уран-плутониевого топлива, рассматривается и вариант дожига актиноидов из отходов АЭС.

Еще по теме:
11.09.2020
12 сентября 1886 года родился Матвей Капелюшников — изобретатель турбобура, совершившего революцию в методах бурения
08.09.2020
Праправнук знаменитого ученого Михаил Арсеньевич Семенов Тян-Шанский обнаружил, расшифровал и перевел с французского пер...
02.09.2020
Благодаря современным геоинформационным технологиям под Суздалем удалось обнаружить и исследовать средневековый могильни...
28.08.2020
28 августа 1743 года родился Антуан Лоран Лавуазье — основатель современной химии и член ненавидимой французами корпорац...
Наверх