Страна готовится к запуску большой программы развития термоядерной энергетики. В связи с этим хотелось бы понять, на какие типы реакторов сейчас делают ставку ученые во всем мире и в России.
В отличие от ядерной энергетики, которую человечество «приручило» для мирных целей всего через пять лет после создания и испытания ядерной бомбы, термояд — аналог солнечных реакций — оказался не так прост. Со времени взрыва первой водородной (термоядерной) бомбы в 1953 году прошло уже 68 (!) лет, а конверсии этого вида реакции в гражданскую отрасль так и не произошло. Не получается у людей «зажечь» свое земное «солнце», чтобы питало бесплатной энергетикой весь мир. Ходят, конечно, разговоры, что это просто невыгодно нефтяным магнатам — вот термоядерные технологии и не продвигаются вперед. Но отбросим конспирологию. Тем более что ископаемых запасов углеводородов осталось менее чем на полвека, а потому, как ни крути, надо доводить до ума мирный атом.
Как объединить необъединяемое
Если в ядерных реакциях ядрам урана, плутония, тория выгодней распадаться для запуска цепной взрывной реакции, то при термоядерном варианте, наоборот, балом правит реакция объединения легких ядер изотопов водорода, гелия и бора.
Зачем нам вообще понадобилась термоядерная энергия, если у нас есть уже атомные станции, работающие на принципе распада ядерного вещества? Во-первых, термоядерный синтез более безопасный, во-вторых, перспективный — на земле неисчерпаемые запасы дейтерия, который можно бесконечно добывать в Мировом океане.
Классическая термоядерная реакция происходит следующим образом: берется ядро дейтерия (изотоп водорода, состоящий из 1 протона и 1 нейтрона) и ядро трития (1 протон и 2 нейтрона). Оба положительно заряжены и друг от друга, естественно, отталкиваются. Но физики народ упрямый — им надо во что бы то ни стало их объединить, принудительно разогнать до сверхскоростей при высочайшей температуре и сблизить настолько, чтобы было преодолено электростатическое отталкивание. Тогда и возникнет ядерная реакция с выделением энергии. Атомы трития и дейтерия ионизируются и образуют плазму, которую до определенного времени нужно поддерживать в активном состоянии при очень высоких температурах, измеряемых в сотнях миллионов градусов, а в идеале прийти к тому, что реакция будет энергетически поддерживать саму себя.
Цель — получить «положительный выход», чтобы выделившейся энергии в итоге оказалось больше, чем вы получили от розетки на разогрев той самой плазмы. Реактор должен дать больше, чем взял. И этого до сих пор, за десятки лет работы ядерщиков, не достиг еще никто ни в одной стране мира.
Токамак или дырка от бублика?
Ученые постоянно находятся в поиске. Возьмем, к примеру, изобретенный в России самый традиционный способ получения плазмы — в устройстве под названием токамак (тороидальная, или бубликообразная, камера с магнитными катушками). Кстати, слово «токамак» — это один из немногих русизмов, уже вошедший в обиход ученых всего мира. Плазма в этом реакторе удерживается в торе магнитным полем, не контактируя с материальной стенкой.
По принципу токамака с начала 90-х годов прошлого века создается самый большой термоядерный реактор в мире — IТER. Огромное (площадью около 1 квадратного километра) сооружение на окраине французского города Кадараш стоит почти 20 миллиардов долларов. Россия вносит 10 процентов от этой суммы, но не деньгами. Мы, к примеру, создаем устройства для нагрева плазмы, магнитную систему и прочие необходимые компоненты этого реактора.
Несмотря на большие вложенные средства, самый большой проект, за который многие уже успели получить премии, до сих пор не реализован. Все чаще всплывают какие-то дополнительные проблемы и переносятся сроки запуска. Невольно возникает крамольная мысль: «А может, ученые сговорились и просто обманывают всех?» Вот уж точно: «с этой плазмой дойдешь до маразма...» — как пел Владимир Высоцкий, исполняя «Марш студентов-физиков».
«Никакого обмана здесь нет», — говорят улыбаясь ученые, обещая к 2025 году все-таки запустить международный проект.
Термоядерная гонка
Для того чтобы понять степень сложности проблемы, мы обратились к специалисту — ведущему научному сотруднику Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе в Санкт-Петербурге, заместителю руководителя уникальной научной установки «Сферический токамак Глобус-М» Владимиру Минаеву.
— Владимир Борисович, расскажите, каким был старт термоядерной энергетики?
— В 50-м году академики Андрей Сахаров и Игорь Тамм предложили удерживать плазму в тороидальном магнитном поле, дополнительно пропуская по плазме электрический ток для ее нагрева и стабилизации. В дальнейшем ученые постоянно совершенствовали конструкцию токамаков, улучшая параметры удерживаемой в них плазмы примерно на порядок каждое последующее десятилетие. При этом токамаки неизменно увеличивались в размерах.
К концу 80-х годов были созданы три больших токамака — европейский JET (он находится в графстве Оксфордшир в Великобритании), американский TFTR (Принстон, США) и наш Т-15 (Москва, Курчатовский институт).
Наш Т-15, увы, так по-настоящему и не заработал. Погубили его... передовые для того времени сверхпроводники. Не сами по себе — причина тут чисто экономическая: для охлаждения сверхпроводников нужно было много жидкого гелия, который в то сложное время оказался слишком дорог для российских ученых. Сегодня вместо Т-15 строится новый токамак, без сверхпроводников, который обещают запустить в ближайшее время.
В Великобритании и США же тем временем получили плазму с рекордными параметрами и провели первые эксперименты с использованием дейтерия и трития. Американцы спустя несколько лет утилизировали свою установку, чтобы построить на ее месте новый токамак, — такая у них политика. Но самым большим токамаком в мире на сегодняшний день пока по-прежнему остается JET.
— Каких результатов на сегодняшний день достигли европейские специалисты, работающие на реакторе JET?
— Время удержания плазмы в нем — в пределах секунд при температуре около 100 миллионов градусов и плотности самой плазмы 10 в 20 степени единиц на кубический метр.
— Но до того самого положительного выхода, как я понимаю, ему далеко? Почему так долго не удается запустить полноценную реакцию?
— Не совсем так, в уже упомянутом тритиевом эксперименте на токамаке JET выход термоядерной мощности был сравним с затрачиваемой на ее получение энергией. Тем не менее до коммерческого реактора еще достаточно далеко. В числе причин — отсутствие ряда технологий, ресурс реактора, его размеры. Есть надежда, что в ИТЕРе нам все-таки удастся запустить самоподдерживающуюся реакцию. Кстати, в этом экспериментальном токамаке-реакторе будут использоваться те же сверхпроводники, которые когда-то стояли на нашем Т-15. Они позволят поддерживать поле в магнитных катушках без значительного расхода мощности.
— Легко ли будет остановить реакцию в огромном термоядерном реакторе, если понадобится?
— Конечно, для этого надо будет перестать поставлять в него топливо — дейтерий и тритий, просто перекрыть трубки. Реакция полностью контролируема.
Энергетические сферы
Параллельно с классическими токамаками в конце 80-х стало развиваться еще одно направление — сферических токамаков, форма которых больше напоминала уже не бублики, а пончики или шарики. Первая экспериментальная установка, построенная в Оксфордшире, рядом с JET, показала, что в такой конфигурации лучше удерживается плазма более высокой плотности. После этого интерес к таким установкам проявили в исследовательских центрах во многих странах мира. К 2000 году самыми крупными стали европейская MAST, американская NSTX (ее построили вместо TFTR) и наш «Глобус-М» в питерском Физтехе им. А.Ф.Иоффе. Когда установки были запущены, почти у всех трех была выявлена одна общая проблема — плохо удерживались заряженные частицы с большой энергией. Для исправления ситуации требовалось увеличить магнитное поле. В итоге все три «ушли» на модернизацию до 2016–2017 годов.
Однако после перерыва, в 2018 году, запустить свой токамак удалось только ученым из Санкт-Петербурга. Их обновленный «Глобус» стал называться «Глобусом-М2».
— На сегодняшний день — это самый крупный из работающих сферических токамаков в мире, а также самый крупный работающий токамак в России, — поясняет не без гордости Владимир Минаев.
— И в течение какого времени он удерживает плазму?
— На сегодняшний день время удержания энергии превысило 10 миллисекунд. Конечно, это меньше, чем на большом торе у европейцев, но их показатели нельзя сравнивать из-за небольших размеров нашего «Глобуса», который имеет диаметр всего 36 сантиметров (диаметр JET — около 3 метров).
— Если я правильно поняла, — на нем до зажигания термоядерной реакции не дойти?
— Конечно. На «Глобусе-М2» мы пытаемся проверить правильность выбора сферической формы для термоядерного реактора, понять, будет ли у него преимущество по удержанию плазмы, будет ли он превосходить классический тор по энергозатратам.
— Если вы докажете, что он превосходит тор, то получится, что еще не построенный «классический» токамак ITER — это уже прошлый век?
— Нет, так говорить нельзя. Да, ITER — это, по сути, в два раза увеличенный JET. Но у него будет ряд принципиальных отличий. Прежде всего из-за увеличенных размеров качественно изменятся параметры плазмы. Кроме того, будут впервые испытаны в таком масштабе сверхпроводящая магнитная система, новые системы дополнительного нагрева плазмы и многое другое. Кстати, похожую на ITER установку, но размером с JET — JT-60SA, —делают японцы. И есть подозрение, что у них это получится быстрее, чем у международного консорциума.
— А вы идете параллельно?
— И да, и нет. Кто в итоге выживет, это пока вопрос. Скорей всего, термоядерный реактор будет построен на базе классического токамака. Уже сейчас прорабатывается проект DEMO, который станет следующим шагом после исследовательского проекта ITER. Но для сферических токамаков может найтись своя ниша, а их коммерческое применение может начаться гораздо раньше.
Гибридные технологии
Как выяснилось, мало нашим физикам-ядерщикам сферической модернизации термоядерного реактора. Сейчас, по словам Минаева, в нашей стране параллельно запускается процесс разработки и создания гибридной электростанции, основанной на термоядерной и ядерной технологиях.
— Наша страна славится достаточно конкурентоспособной атомной промышленностью, — говорит Владимир Борисович. — Вот и возникла идея объединить ее наработки с термоядом.
— В чем будет преимущество этого гибрида? Это позволит эффективней удерживать плазму?
— Дело не только в ней. Мы хотим за счет термоядерных технологий решить проблему с «замыканием» ядерного топливного цикла. Представляете, мы сможем нарабатывать искусственное топливо для атомных реакторов, получать в реакторе энергию, а после дожигать отработанное топливо до безопасного состояния, чего раньше никогда не было. До сих пор мы просто захоранивали ядерные отходы, накапливая их. В целом новая гибридная атомная станция будет значительно безопасней и экологичней. Отсутствие большого количества опасных отходов также позволит повысить экспортный потенциал нашей атомной промышленности. Развивая эту технологию, мы оставим своим потомкам более чистую планету, без залежей ядерных отходов.
— И фокус тут заключается в использовании термоядерной реакции?
— Да. Мы будем использовать термоядерный реактор как мощный источник нейтронов для получения ядерного топлива. При этом параметры плазмы в таком термоядерном источнике нейтронов могут быть существенно ниже, чем в чисто термоядерном энергетическом реакторе, а размеры — существенно меньше, чем у того же ИТЕРа. Следовательно, такой реактор-источник будет значительно дешевле. Но самое главное: реализация гибридной концепции позволит существенно сократить время, требующееся для внедрения уже наработанных термоядерных технологий в коммерческий оборот.
«Зеленый» термоядерный реактор
Плазму можно удерживать не только в тороидальном магнитном поле, как в токамаках, самым большим из которых будет установка ИТЕР в Кадараше. Существует еще и открытый тип реактора — зеркальные ловушки, или, образно говоря, «магнитные бутылки», имеющие на концах магнитные «пробки» или магнитные «зеркала». На концах такого реактора, возле «пробок», магнитное поле сильное, в центре — слабее. Частицы плазмы привязаны к силовым линиям магнитного поля и движутся от одной «пробки» к другой, каждый раз отражаясь от них.
Конструкция такого реактора получается более простой, а значит, дешевой и легкой в сборке.
Такая зеркальная ловушка, модель будущего реактора открытого типа, есть в новосибирском Институте ядерной физики им. Будкера. Она считается лучшей установкой такого типа в мире: среди них ей принадлежит рекорд по температуре -10 миллионов градусов.
Но на этом новосибирцы останавливаться не намерены. В планах — скрестить открытую ловушку с ядерным реактором, сделать технологию гибридной (о подобной технологии мы писали выше).
Еще одна очень интересная технология. Ученые новосибирского ИЯФа принимают непосредственное участие в проекте компании Tri Alfa Energy в США, в штате Калифорния. Этот проект, который, если все пойдет по плану, может значительно улучшить имидж атомной энергетики, который несколько пострадал после аварии на Фукусиме. О «зеленом» термояде мы побеседовали с директором Института ядерной физики СО РАН, академиком РАН Павлом Логачевым.
— Если обычная термоядерная реакция основана на синтезе дейтерия и трития с выделением нейтрона, здесь сталкиваются друг с другом протон и бор-11, — рассказывает Павел Владимирович. — В итоге на выходе образуются только три альфа-частицы — ядра гелия и сопутствующее им гамма-излучение. Никаких нейтронов, загрязняющих окружающую среду, при этом нет — только чистая энергия. Правда, протон и бор идут на сближение еще труднее, чем дейтерий с тритием, а потому платой за явные преимущества их «союза» является гораздо более высокая температура зажигания реакции — миллиард градусов Цельсия.
— Миллиард?! Это горячее, чем на Солнце!
— Конечно, если учесть, что на поверхности светила температура не превышает и 6 тысяч градусов.
— Вы упомянули гамма-излучение. Оно разве не вредное?
— Оно гораздо менее вредное, чем нейтроны, которые способны создавать наведенную радиоактивность, пронизывая конструкции реактора, стены здания и все, что в нем находится.
— Но от гамма-излучения тоже придется защищаться?
— Конечно. При строительстве энергетической станции на основе этой технологии вокруг реактора будет построена железобетонная защита, которая обеспечит полную безопасность.
— Какова форма реактора — это уже не тор и не зеркальная ловушка?
— Это, в общем, очень похоже на зеркальную ловушку. Только в центре токи, текущие в плазме, такие мощные, что способны поменять знак магнитного поля реактора. При этом образуется сгусток плазмы, в котором силовые линии магнитного поля замкнуты, и в таком реакторе плазма очень хорошо удерживается.
— За какую часть работы отвечает ваш институт?
— В ИЯФе создается инжектор пучков атомарного водорода большой мощности.
— Для чего он нужен?
— Для «поджига» реакции, это что-то типа зажигалки для разведения огня, в котором плазма нагревается до миллиарда градусов. Кроме того, атомы пучка захватываются в плазме и создают те самые токи, в магнитном поле которых она удерживается. Этот инжектор создает направленный поток нейтральных атомов водорода со скоростью более 10 тысяч километров в секунду и с мощностью до 10 мВт в одном пучке. Именно такие инжекторы мы разрабатываем для проекта Tri Alfa Energy. Такой реактор будет снабжать энергией сам себя, выделяя ее при этом значительно больше.
Какой из описанных реакторов в будущем сыграет основную роль в жизни человечества, покажут ближайшие 10–15 лет. Термоядерная гонка в самом разгаре. Наблюдаем.
