Когда запустят искусственное Солнце

Россия не будет исключена из международного проекта ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), поскольку поставляет ключевое оборудование, участвует на основе межправительственного соглашения, более того, СССР был его инициатором. Речь идет о совместном создании экспериментального реактора, который должен продемонстрировать возможности использования термоядерной реакции для получения энергии в промышленных масштабах. Когда это случится, у человечества в руках окажется неисчерпаемый ресурс. Об этой перспективе мы поговорили с аналитиком Белорусского института стратегических исследований Алексеем Авдониным.

— Новая расшифровка названия этого международного проекта — «путь» от латинского «iter». Почему он так долог и труден?

— Первый токамак был построен в 1954 году в СССР. Для прорывного развития в сфере управляемого термоядерного синтеза на тот момент не хватало вычислительных возможностей, технологий, производственных мощностей и оборудования. Международный проект начался в середине 1980-х. Цель инициативы — доказать возможность практического использования термоядерного синтеза в качестве экологически чистого, безопасного и неисчерпаемого источника энергии. Экспериментальный реактор должен был проложить путь термоядерным электростанциям.

Справка. Токамáк (тороидальная камера с магнитными катушками) — тороидальная установка для магнитного удержания плазмы при управляемом термоядерном синтезе.

В 1992 году между ЕС, Россией, США и Японией было подписано межправительственное соглашение о разработке инженерного проекта ITER, который был завершен в 2001-м. Проектирование самого реактора полностью закончилось несколько позже, место для строительства — юг Франции — выбрали в 2005-м. Подготовка площадки началась еще спустя два года, а в 2010-м стартовало возведение этого уникального и очень дорогостоящего объекта. Сборка реактора началась в 2020 году. Но проект до сих пор находится в процессе реализации. Сроки его окончания неоднократно переносили. Цена вопроса — миллиарды евро.

Проект сложный. Технология создания токамака, которая используется и в ITER, — формирование плазмы и удержание ее за счет электромагнитного поля. Раскаленная до сотен миллионов градусов плазма движется в вакуумной камере и не соприкасается с ее стенками за счет магнитного поля. Термоядерная реакция сопровождается нагреванием атомов водорода до необходимых температур и удержанием плазмы в магнитной ловушке достаточно долго, чтобы произошел термоядерный синтез.

Токамак ITER — это 60-метровое сооружение массой 23 тыс. тонн. Оно рассчитано на плазму объемом 40 м³ температурой до 120 млн °C. Основная проблема — контроль термоядерного синтеза, чтобы реактор не расплавился. Для обеспечения необходимого объема плазмы магнитное поле в токамаке должно быть усилено по сравнению с земным до 200 тыс. раз. Сверхпроводящие магниты огромного размера будут охлаждаться до минус 269 °C.

Топливо для таких реакторов — отдельная тема. Уточню лишь, что самым эффективным считают смесь изотопов водорода — дейтерия и трития, которых необходимо лишь сотни граммов. Образующийся побочный продукт — это безвредный инертный газ гелий 4. Еще одна важная деталь: изотопы водорода можно использовать после того, как системы токамака комплексно протестируют так называемой первой плазмой — водородной. Затем поэтапно получат плазменные разряды с проектными параметрами в гелии и дейтерии, а спустя десять лет после первого запуска машины переведут на дейтерий-тритий. Только после всего этого токамак выйдет на проектную мощность термоядерных реакций.

Из-за гигантской температуры плазмы такие установки называют искусственным Солнцем. На поверхности настоящей звезды она достигает 6 тысяч °C, а в недрах — около 15 миллионов °C. Ученые пытаются повторить в токамаке реакции, происходящие внутри звезд, чтобы получить возможность генерировать дешевую и безопасную энергию. Однако сделать термоядерную реакцию для коммерческого использования контролируемой пока никому не удается.

— Почему сейчас наблюдается повышенное внимание к этой технологии?

— Потому что теоретически с помощью искусственного Солнца можно получать огромные объемы «зеленой» тепловой энергии, способной заменить все угольные, газовые, гидро- и атомные электростанции. Кроме того, — путешествовать по космическим просторам, осваивать другие планеты.

Уровень развития фундаментальной физики и понимания природы высокотемпературной плазмы до недавнего времени не позволял удерживать ее более 100 — 120 секунд. Но недавно в китайской прессе появилась информация о том, что экспериментальный термоядерный реактор (токамак EAST), расположенный в городе Хэфэй китайской провинции Аньхой, побил собственный мировой рекорд по длительности поддержания высокотемпературной плазмы, который прежде был равен 101 секунде.

Китайский термоядерный реактор

В этот раз искусственное Солнце продержалось 403 секунды. Но есть нюансы, о которых не сообщили СМИ. В частности, в каком режиме работал реактор, до какой температуры удалось разогреть плазму и какой она была — электронной или ионной. Чтобы запустить термоядерную реакцию синтеза, до температуры более 100 миллионов °C в реакторе необходимо разогреть не электроны, а ионы, которые тяжелее, поэтому на их разогрев требуется почти вдвое больше энергии.

Насколько мне известно, в США тоже добились прорыва, но на установке другого типа. Там на экспериментальном реакторе NIF достигли так называемой точки зажигания. Ученые утверждают, что лазерная термоядерная установка выделила больше энергии, чем было передано на дейтерий-тритиевую мишень. Однако еще очень рано ожидать получения экономической рентабельности от такого реактора. Для этого он должен работать не 2 — 3 минуты, а постоянно, как атомная станция. 

У человечества пока не хватает возможностей обеспечить непрерывность термоядерного процесса. Есть мнение, что основная проблема — в скорости обработки информации. Ведь для того, чтобы правильно прогнозировать движение плазмы, требуется вовремя включать электромагнитное поле и удерживать толчок плазмы. Следовательно, необходимы гигантские дата-центры и суперскоростные процессоры.

Сегодня в освоении термоядерного синтеза лидируют КНР и США. И это главные соперники. Когда в Китае удержание плазмы превысило 110 секунд, Штаты сразу ввели жесткие санкции на поставку микрочипов в Поднебесную. Взаимосвязь, на мой взгляд, очевидна.

— Проект ITER связан с вложением огромных средств, но ведь есть страны, которые самостоятельно работают над развитием технологии управляемого термоядерного синтеза?

— Мы видим сильную конкуренцию между США и КНР. Однако постоянно появляется новая информация о научно-практической работе в этой сфере в различных странах.

Проект токамака в Великобритании

В России сейчас выполняют проекты в области термоядерной энергетики в рамках комплексной отраслевой программы «Росатома» по развитию мирных ядерных технологий. Британский стартап Tokamak Energy объявил о намерении к 2026 году построить компактный сферический токамак ST80-HTS в кампусе Кулхэ управления по атомной энергии Великобритании (UKAEA) недалеко от Оксфорда. Недавно появилась информация, что Германия выделит 1 миллиард евро на создание электростанции на основе ядерного синтеза к 2040 году. В стране объявили о новой программе финансирования исследований в этой области. Причем программа открыта для развития различных направлений термоядерного синтеза — как технологии магнитного удержания (токамак), так и лазерного термоядерного синтеза. Основная цель исследований — продолжить путь к строительству первой термоядерной электростанции в Германии к 2040 году.

— А как быть таким странам, как Беларусь, у которых научный потенциал есть, но нет гигантских средств на освоение термоядерной реакции?

— Как бы мы сейчас ни рассуждали о потенциальных преимуществах токамака, но мы должны понимать, что на данном этапе самый передовой и наиболее надежный, экологичный и экономически выгодный ресурс для выработки электричества — атомная энергия.

Американские, российские, европейские корпорации уделяют больше времени не тому, чтобы закрыть АЭС и переориентировать все усилия на токамаки, — они заняты решением задач, связанных с цикличностью процессов в атомной энергетике. Если иметь возможность повторно использовать выработанное топливо, то можно получить своего рода вечный атомный двигатель. Как это будет сделано, кто окажется быстрее — покажет время.

Сейчас в мире уделяется внимание технологиям, связанным с мобильными атомными станциями. Основной интерес проявляют южнокорейские, американские компании. Кстати, в марте этого года в Сочи в ходе ХIII Международного форума «АТОМЭКСПО 2024» Россия и Беларусь заключили соглашение об изучении возможности совместного исследования мобильных атомных станций, которые были разработаны в СССР.

По моему мнению, темпы в борьбе за лидерство в области энергетики и фундаментальной физики ускоряются. Если последние 30 лет было ощущение, что космические технологии, наука развиваются для всего человечества, то сейчас мы видим, что идет фрагментация, основанная на интересах корпораций, то есть актуальны так называемые технологические зоны. Но сверхзадачи по-прежнему решаются совместными усилиями, как и проект ITER, реализация которого откроет человечеству путь в новый технологический уклад.

ФОТО и ВИДЕО Елизавета Лукашун, открытые источники