в какой стране была принята программа термоядерных исследований
В какой стране была принята программа термоядерных исследований
Предпосылкой изучения ядерных реакций синтеза легких элементов и возможно начала исследовательских работ по УТС можно считать открытия Резерфордом, Олифантом и Хартеком в 1934 г. элементарной реакции ядерного синтеза, в которой два атома тяжелого водорода D образуют атом гелия с попутным выделением энергии. С помощью ускорителя частиц разгоняли ионы дейтерия и направляли их на дейтериевую мишень. Далее в 1938 г. в журнале «Physical Review» появилась знаменита статья Г. Бете «Генерация энергии в звездах», в которой приведены реакции и сделаны расчеты по термоядерным реакциям, протекающим внутри звезд. Согласно этим расчетам для достижения заметной интенсивности протекания термоядерных реакций, например в дейтериевой плазме, необходимо нагреть ее до температуры сто миллионов градусов. Теперь оставалось найти технически приемлемый способ нагрева плазмы до столь высокой температур и осуществит ее термоизоляцию от стенок реактора.
Но прошло более десяти лет, а такие предложения не появились. Не было высказано какой-либо идеи о возможной конструкции реактора УТС.
Олег Лаврентьев был первым в мире человеком, который задумался о реальном проекте термоядерного реактора, опередив всех крупнейших отечественных и зарубежных ученых, профессионально занятых этой проблемой.
А.Д. Сахаров высоко оценил предложения Лаврентьева. В результате обсуждения этих предложений со своим руководителем И.Е. Таммом, ими были сформулированы принципы термоизоляции плазмы магнитным полем и рассчитаны первые модели магнитного термоядерного реактора (МТР) тороидальной формы, трансформировавшегося впоследствии в ТОКАМАК (тороидальная камера с магнитными катушками). Токамаки стали главным и наиболее перспективным направлением развития работ по УТС сначала в нашей стране, а затем и во всем мире.
Опыты с тороидальными лабораторными установками МТР начались в ЛИПАНе в 1951 г. и проходили с переменным успехом. Сперва было достаточно много неудач.
Выяснилось, что в поведении высокотемпературной плазмы в магнитном поле возникает много неустойчивостей, способствующих попаданию ионов плазмы на стенки реактора. Пришлось потратить несколько десятилетий на теоретические и экспериментальные работы, позволившие подавить эти неустойчивости и найти технически осуществимые способы разогрева плазмы до температур близких к 10 8 К.
Постановление СМ СССР, подписанное И.В. Сталиным, вышло 05.05.1951 г. и положило начало государственной, видимо первой в мире, программе термоядерных исследований. Был создан научный совет по МТР под председательством И.В. Курчатова.
В начале пятидесятых годов работы по УТС как в СССР, так и в других странах были строго засекречены, поскольку они могли иметь отношение к решению определенных военных задач. Рассекречивание этих работ произошло позднее по инициативе СССР, после доклада И.В. Курчатова в Английском ядерном центре в Харуэлле в 1956 г. о работах по УТС, ведущихся в ЛИПАНе.
В 1968 году на токамаке Т-3А (Курчатовский институт) получены рекордные температуры электронов (Те
20 млн.град.) и ионов (Тi
После 1969 года в мире построено
Позднее появилось много альтернативных проектов по решению проблемы «мирного термояда». Кроме направления с магнитным удержанием плазмы, разрабатывается направление с инерционным удержанием (инерциальный термоядерный синтез): лазерный термоядерный синтез, применение мощных электронных пучков. Разрабатываются различные плазменные технологии, различные способы нагрева высокотемпературной плазмы. Большое внимание уделяется разработке новейших физических методик по диагностике высокотемпературной плазмы.
Термоядерный синтез все реальнее: MAST, EAST и ITER, дейтерий-тритиевые эксперименты и другие достижения
Термоядерные реакторы существуют десятки лет, но управляемая термоядерная реакция все это время оставалась недостижимой. Она постоянно находилась в ближайшем будущем, ученые говорили: «Через 10 лет, скорее всего, мы достигнем успеха». Но проходило десять лет, и ничего не менялось — по-прежнему публиковались научно-популярные статьи, где говорилось все о том же сроке в 10 лет.
Сейчас, насколько можно судить, мнiогое изменилось — разработчики термоядерных установок достигли действительно заметных успехов. Речь идет как о новых реакторах, так и об уже существующих. В целом, вероятность того, что управляемый термоядерный синтез станет реальностью в течение ближайших нескольких лет, достаточно высокая. Давайте оценим успехи ученых последних лет и посмотрим, что там планируется.
Модернизированный сферический токамак MAST возобновил работу
В конце мая снова начал работу сферический токамак MAST (Mega Ampere Spherical Tokamak). Камера у этой установки не очень большая — диаметр 4 метра. Последние несколько месяцев систему модифицировали, включая оптимизацию систему охлаждения плазмы до ее сброса. Возможно, этот реактор послужит прототипом для небольших, но эффективных систем будущего.
К слову, сам токамак из Британии совсем не нов — его сборка стартовала в 1997 году, а работать он начал два года спустя. Проблемой стал небольшой размер камеры — из-за этого разогретая свыше сотни млн кельвинов плазма разрушала вольфрамовые плитки.
В 2013 году команда поняла, что установку нужно модернизировать. Правительство выделило деньги, около 55 млн фунтов, и началась реконструкция. Завершена она была лишь в октябре 2020 года, после чего последовал период тестирования. Токамак подвергся многочисленным проверкам, и лишь в 2021 году его приняли в эксплуатацию.
В итоге проблемы разрушения плиток удалось избежать. А плазма теперь при сбросе понижает температуру с сотни млн °C до всего 300 °C.
В прошлом году британские физики начали работу над еще одним проектом — токамаком STEP (Spherical Tokamak for Energy Production).
Проект ITER продвигается к завершению
В прошлом году в исследовательском центре Кадараш во Франции стартовало строительство экспериментальной термоядерной установки ITER, реактор начали собирать из подготовленных ранее компонентов. Это масштабный проект, в котором принимают участие специалисты из самых разных стран, включая ЕС, Индию, Китай, Южную Корею, Россию, США и Японию.
Реактор представляет собой цилиндр диаметром 28 метров, высотой 29 метров и весом 23 000 тонн. Размещается система в железобетонном объекте с длиной 120 метров, шириной 80 метров и высотой 80 метров.
Несмотря на некоторые проблемы, проект постепенно продвигается к завершению. Через четыре года разработчики планируют получить первую плазму. В течение десяти лет ученые будут проводить эксперименты, подводя работу к главному результату — получению управляемой термоядерной реакции.
Если все пройдет хорошо, то где-то в 2035 году появятся первые коммерческие реакторы DEMO.
Этим летом (т.е. 2021 г.) проводятся эксперименты с новой смесью для термоядерного реактора ITER. Речь идет о дейтерий-тритиевой смеси, которая будет использоваться в качестве основного «топлива» для реактора». Испытания смеси будут проходить в Великобритании на площадке JET (Joint European Torus — Объединенный европейский токамак).
Этот реактор — работающая модель ITER с размером в 1/10 от размера полномасштабной установки. Если все пройдет хорошо с JET — значит, не должно быть проблем и с его «старшим братом». Эксперименты JET позволят увидеть, как будет вести себя плазма и какие сложности могут возникнуть. В ходе испытаний ученые используют не более 60 гр трития при температуре плазмы в 150 млн К — именно такая температура требуется для старта синтеза.
У JET весьма неплохие показатели — отношение затраченной на разогрев плазмы энергии к полученной энергии составляет 0,67. Для того, чтобы получить коммерческую систему, этот коэффициент, Q, должен быть больше единицы. Для того, чтобы отбить затраты и стать экономически выгодным проектом, Q должен быть равным или превышать 25. Авторы проекта ITER считают, что его Q будет не менее 10.
EAST ставит рекорды
Как уже писали на Хабре, китайским ученым удалось побить рекорд корейцев по удержанию сверхгорячей плазмы. Команда термоядерного реактора EAST смогла добиться невиданных доселе результатов — удержания плазмы с температурой 160 млн К в течение 20 секунд. Плазму с температурой в 120 млн К они удерживали 101 секунду. Это уже очень близко к порогу термоядерного синтеза — речь идет не о долях секунды, а о десятках секунд.
Для того, чтобы началась непрерывная реакция термоядерного синтеза в установке с получением энергии, плазму температурой в 150 млн К нужно удерживать около 300-400 секунд.
EAST — тоже токамак, отличающийся от большинства похожих конструкций наличием полностью сверхпроводящей магнитной системы на основе ниобий-титановых проводников. При этом большой радиус камеры составляет всего 1,7 метра, то есть диаметр даже меньше, чем у британской установки, о которой говорилось выше — 3,4 метра вместо 4. И проблем с разрушением вольфрамовых плиток, насколько можно судить, у китайцев нет.
Стелларатор W7-X
Кроме токамаков, есть и термоядерные установки с иной конфигурацией. Например, стеллараторы. Форма магнитной катушки таких установок как бы повторяет конфигурацию нагретой плазмы, что позволяет не бороться с плазмой, а просто использовать ее особенности.
Установка Wendelstein 7-X (W7-X) — современный стелларатор, построенный по последнему слову термоядерных технологий. Конструкция стелларатора постепенно оптимизируется, в планах создателей — обеспечить работу системы вплоть до 30 минут, что, конечно, гораздо лучше любых рекордов токамаков.
Wendelstein 7-X (W7-X) предназначен, в первую очередь, быть proof of concept, показав жизнеспособность конструкции — получать энергию с его помощью не планируется. К сожалению, из-за пандемии эксперименты с системой отложены минимум на год. Работа возобновится не ранее следующего года.
Осторожный оптимизм
Несмотря на все эти успехи, все равно не стоит считать, что термояд уже у человечества в кармане. Предстоит решить еще очень много проблем, причем в будущем могут возникнуть новые.
Тем не менее, сейчас ученые достигли немалых успехов, изучением возможностей термоядерного синтеза заняты ученые многих стран. Это уже не парочка проектов, как пару десятков лет назад. При этом регулярно появляются новые системы — как токамаки, так и альтернативы.
Китайская установка вселяет уверенность в том, что цели, которые ставят перед собой ученые, будут решены в ближайшем будущем. При этом есть надежда и на ITER с его дейтерий-тритиевым «топливом».
Если W7-X покажет хорошие результаты — кто знает, может, именно стеллараторы вырвут победу, а токамаки останутся позади.
В любом случае, термоядерный синтез привлек внимание не только ученых, но и правительств крупнейших государств мира. И вряд ли это внимание, интерес, ослабнут. Скорее наоборот — будут лишь усиливаться.
Началась сборка международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР
Во французской коммуне Сен-Поль-ле-Дюранс стартовал процесс сборки первого в истории термоядерного реактора ИТЭР. Он будет на Земле повторять процессы, происходящие в звездах, когда при сверхвысоких температурах и давлении сливаются ядра изотопов водорода, выделяя колоссальную энергию.
Реализация этого масштабного международного проекта позволит человечеству получить доступ к неисчерпаемой энергии, проложив дорогу к термоядерным электростанциям будущего, которые должны стать не только в четыре раза эффективнее современных атомных, но также чище и безопаснее их. У источников энергии будущего, топливом для которых может служить морская вода, не будет проблем с неконтролируемыми цепными реакциями и опасными радиоактивными отходами.
Создание экспериментального термоядерного реактора (ИТЭР, International Thermonuclear Experimental Reactor) на базе концепции токамака является ярчайшим примером масштабного многолетнего международного сотрудничества в сфере развития ядерной энергетики. Проект, цель которого — продемонстрировать возможность управляемого термоядерного синтеза с временем горения и мощностью промышленного масштаба, является плодом совместной работы стран Евросоюза, а также России, США, Индии, Китая, Южной Кореи и Японии. Вклад Евросоюза — 45 процентов от стоимости установки, остальные страны, включая Россию вносят по 9 процентов. Запуск реактора, расположенного рядом с исследовательским центром Кадараш на юге Франции, запланирован на 2025 год, тогда же ученые надеются получить первую плазму. А процесс масштабного синтеза должен быть запущен к 2035 году.
В официальной церемонии, прошедшей сегодня в онлайн-режиме в исследовательским центре Кадараш, приняли участие президент Франции Эммануэль Макрон, представители стран-участников проекта, а экскурсию по объекту провел генеральный директор ИТЭР Бернар Биго.
Представляющий российскую сторону генеральный директор госкорпорации «Росатом» Алексей Лихачева зачитал участникам мероприятия приветственное обращение президента России Владимира Путина, где отмечалось, что «ИТЭР представляет собой яркий пример эффективного и взаимовыгодного многостороннего сотрудничества».
От себя лично Алексей Лихачев поздравил всех участников проекта «с началом нового этапа, сборкой и монтажом токамака, который по сути является сердцем всего проекта». По мнению генерального директора госкорпорации «Росатом», «это важнейшее событие для всего термоядерного сообщества и, конечно, для всей мировой науки. Важно, что несмотря на ограничения, вызванные эпидемией коронавируса, работы по сборке и монтажу начинаются в соответствии с графиком».
Алексей Лихачев считает, что «теперь главная задача для нас всех — обеспечить своевременный монтаж и сборку установки и получить первую плазму к концу 2025 года. Это позволит на деле продемонстрировать согласованность действий всех участников проекта и итоговую эффективность нашего международного сотрудничества». По словам гендиректора «Росатома», «Россия выполняет все обязательства в проекте ИТЭР по внесению натурального и финансового взноса в полном объеме в строгом соответствии с графиком. В том, что сборка реактора началась вовремя, есть большая заслуга России».
Особо отметив широту географии работ по проекту в России, Алексей Лихачев сообщил, что «большинство систем ИТЭР изготавливаются и интегрируются сразу несколькими партнерами из разных стран. Это требует полной слаженности в работе и согласованности действий». Он убежден, что «на нынешней стадии проекта своевременное исполнение каждым из партнеров своих обязательств по внесению как натурального, так и финансового взноса, абсолютно необходимо для нашего общего успеха».
Первую в мире тороидальную камеру с магнитными катушками (токамак) создали советские ученые в 1954 году в Курчатовском институте. После этого в мире было создано около сотни токамаков, но все они потребляют гораздо больше энергии, чем могут произвести. Проект «ИТЭР» появился благодаря договоренностям Михаила Горбачева и Рональда Рейгана в ноябре 1985-го года на встрече в Женеве. Именно тогда лидерами США и СССР было принято решение о совместном исследовании термоядерной энергии в мирных целях, а через год Евратом, СССР, США и Япония подписали соответствующий договор.
Работа над проектом началась в 1988 году, а в 2001 году была утверждена его финальная версия. В 2003 году к работе над ITER присоединились Китай и Южная Корея, а в 2005 году — Индия. В этом же годы страны-участники определились и с местом для строительства, рядом с научно-исследовательским центром ядерной энергетики Кадараш в окрестностях Сен-Поль-ле-Дюранс во французском Провансе. В ноябре 2006-го министры стран-участниц подписали межгосударственное соглашение о создании ITER, а в октябре 2007-го начала работу ITER Organization, ответственная за строительство, работу и последующий демонтаж реактора. В 2007 году началась подготовка стройплощадки, а строительство взяло старт в 2010 году.
Параллельно все страны-участницы стали работать над элементами комплекса ITER, который по сложности и технологичности превосходит многие современные масштабные научные исследования, в том числе Большой адронный коллайдер. Ведь ученые рассчитывают получить в десять раз больше энергии, чем потребляет сам реактор. С самого начала ИТЭР задумывался как кооперация национальных термоядерных программ, поэтому после запуска экспериментальной установки во Франции все страны-участницы проекта будут обладать технологиями для строительства собственных промышленных станций.
Кроме того, что Россия является инициатором объединения международных усилий по созданию ИТЭР, наша страна занимает одну из ключевых позиций в проекте, внося в него фундаментальный вклад. За выполнение обязательств российской стороны в проекте ИТЭР отвечает госкорпорация «Росатом», а координирует работу специально созданное частное учреждение Росатома «Проектный центр ИТЭР». Россия регулярно делает финансовые взносы в бюджет Международной организации ИТЭР, изготавливает и поставляет для проекта двадцать пять систем сложнейшего высокотехнологичного оборудования. Также над проектом работают российские специалисты, прикомандированные к Международной организации ИТЭР. Кроме того, занятость в проекте поддерживает научные и инженерные коллективы на российских предприятиях, формирует кооперацию с другими институтами и организациями, позволяя организовать подготовку высококвалифицированных специалистов в ряде университетов (МИФИ, МФТИ, НГУ, ЛГУ, МГУ и других).
Когда будет термояд: 500-мегаваттный проект ITER глазами участника
Если объяснять на пальцах, термоядерный реактор — это когда в магнитном поле удерживают плазму с температурой в 150 раз выше, чем на Солнце, а в трех метрах от нее находится охлаждающий контур гигантских катушек с температурой почти абсолютный ноль по Кельвину. По факту получаем самую горячую и самую холодную точки в галактике под одним колпаком. В реакторе два изотопа водорода «сплавляются» в гелий, высвобождая нейтрон, обладающий огромной энергией. По сути, это Солнце на Земле.
ITER — международный проект по созданию опытного реактора мощностью 500 МВт, который официально перешел из стадии строительства на стадию сборки.
Виталий Красильников — наш рассказчик, работает на проекте уже семь лет.
Виталий родом из Троицка. Закончил троицкую школу № 3 (теперь это лицей), отучился на физтехе в МИФИ, выбрав по примеру отца и друзей семьи тему токамаков, а после работал в научном центре ТРИНИТИ. Откликнулся на интересную вакансию в ITER и в данный момент участвует в строительстве самого большого токамака из когда-либо спроектированных человеком. С конца прошлого года Виталий вместе с коллегами курирует разработку нейтронных диагностик.
В августе при поддержке нашей троицкой Точки Кипения он провел вебинар «Когда будет термояд?». В основе этой статьи обработанная расшифровка его лекции и последующей сессии вопросов — ответов.
Итак, давайте поговорим о термоядерном синтезе.
Была такая шутка: в каком бы году вы ни спросили, когда будет термояд, вам отвечают — через 10 лет. Сегодня эти прогнозы по срокам мы формулируем на основе проекта ITER — International Thermonuclear Experimental Reactor (Международного экспериментального термоядерного реактора). Сейчас это знамя, под которым ведутся все основные разработки в данной области.
В пике ITER должен производить 500 МВт ядерной мощности — в 10 раз больше, чем требуется для его работы. Это один из самых амбициозных энергетических проектов. Сегодня в нем участвуют семь стран-партнеров, представляющих больше 50% населения планеты: страны ЕС (выступают как единый участник), Китай, Индия, Япония, Россия, Корея и США. Со стороны проект поддерживают Австралия и Казахстан.
Базовые принципы работы термоядерной установки
Для неподготовленной части аудитории сделаю небольшое отступление об основных идеях, заложенных в ITER.
Экспериментальный реактор строится для изотопов водорода — дейтерия и трития. Если у обычного водорода ядро состоит из одного протона, то ядро дейтерия содержит один протон и один нейтрон, а ядро трития — один протон и два нейтрона. В результате реакции дейтерия и трития получается сложное ядро из пяти элементов, которое разваливается на гелий и нейтрон.
Ядерная реакция дейтерия и трития с образованием гелия и свободного нейтрона
Гелий — инертный газ, который ничем не вредит. У свободного нейтрона короткое время жизни, он сам по себе не опасен. Но он обладает большой энергией, поэтому нейтрон необходимо каким-то образом поймать и затормозить, а его кинетическую энергию применить с пользой. Один из вариантов — нагреть воду, создать турбину и преобразовать эту энергию в электричество.
Чтобы соединить дейтерий и тритий, их нужно разогнать навстречу друг другу. В больших объемах это можно сделать, нагрев смесь двух газов. Но чтобы реализовать эту реакцию в масштабах ITER (получив заданное отношение затрачиваемой и полезной мощности), по предварительным расчетам, придется нагреть смесь до 100–200 млн градусов (по Кельвину или Цельсию — уже не важно). Для сравнения: на Солнце всего 10 млн градусов, т.е. температура внутри экспериментального реактора должна быть в 10–20 раз выше.
Чтобы удержать плазму такой температуры в замкнутом объеме, можно использовать электрические и магнитные поля.
Один из подходящих инструментов предложили еще в Советском Союзе — это тороидальная камера, получившая название «токамак».
Термоядерный реактор ITER в разрезе
Токамак представляют собой магнитную катушку, где магнитные поля сформированы таким образом, что удерживают плазму в неком объеме внутри «бублика».
Огромные перспективы термоядерного синтеза стоят на трех столпах.
ITER: диаметр 28 метров, высота — 30 метров. Масса — 30 тысяч тонн
Вот так выглядит ITER. Токамак размещен в колбе, она называется криостат. Это внешняя оболочка, которая охлаждает сверхпроводники катушек, создающих магнитное поле.
Внутри токамака необходимо создать температуру в 100 раз выше температуры Солнца — это будет самая горячая точка нашей Галактики. А снаружи будет одна из самых холодных точек — 4 градуса по Кельвину.
Расстояние между самой горячей и самой холодной точками — всего несколько метров.
Когда технологии не поспевают за теорией
Практически по всем направлениям разработки ITER мы сталкиваемся с проблемами, которые еще никто никогда не решал.
К примеру возьмем электронику, предназначенную для работы в вакууме и использующуюся для космических целей. Однако у нее нет защиты от радиации, которой в космосе почти нет. Существуют радиационно стойкая сталь и электроника для атомных реакторов, но они неспособны работать в вакууме (таких требований в реакторах просто не было). А значит, нужны новые, устойчивые и к вакууму, и к радиации материалы.
Еще пример — нейтронные детекторы, которыми я занимаюсь. Для ITER нам нужно несколько сотен детекторов, по 10 кристаллов в каждом. Нынешними темпами мир выращивает примерно 10–50 кристаллов в год, а к 2025-му нужно будет получить около 2000 кристаллов. Этот спрос неспособны удовлетворить имеющиеся установки. Несколько западных лабораторий работают над тем, чтобы доработать технологию.
И подобные примеры можно приводить бесконечно.
Краткая история ITER
Впервые о проекте ITER публично заговорили в 1985 году на саммите в Женеве — на пике оттепели международных отношений. США и СССР — в лице Горбачева и Рейгана — договорились о совместных разработках в области термоядерного синтеза. А крестным отцом ITER, пожалуй, можно назвать Е.П. Велихова — советского ученого, который предложил эту идею Горбачеву.
Встреча Рейгана и Горбачева на саммите в Женеве, 1985 г.
Некоторое время достигнутая договоренность существовала в эдаком вакууме, но в начале 2000-х к ней вернулись.
Когда в ноябре 2006 года в Елисейском дворце было подписано соглашение между семью странами-участниками, стало понятно, что проект ITER будет реализован.
Строительные работы на площадке начались в 2007 году. К 2010-му на территории уже вырубили лес, выровняли землю, построили несколько зданий. Начали рыть котлован под токамак-комплекс. На фото видны автомобили и домики. Площадь вырытого котлована — размером с городской квартал.
В 2011-м начали заливать фундамент.
Ниже на фото — активные сейсмические подставки. Они заменяемые: если одна из них выйдет из строя, специальный робот залезет под здание и произведет замену.
Сверху бетонной плиты — специальная противосейсмическая раскладка арматуры, которая будет заливаться бетоном.
Я приехал на проект в 2013 году. Тогда все строительство шло под землей и выглядело примерно так:
С конца 2014 года началось возведение стен над землей. На фото ниже — Assembly Building. В него для предварительной сборки будут попадать все крупные компоненты системы, а в здание токамака их перенесут с помощью большого крана.
А это подстанция высокого напряжения и трансформаторы.
В 2015 году Assembly Building обернули во внешние стены.
А это фото 2016 года:
А на фото ниже хорошо виден прогресс с 2014 года по весну 2020-го. Фото сделаны с разных ракурсов, но на них заметны существенные улучшения.
А вот так проект выглядит сегодня:
Здание токамака из бетона со стенами толщиной 1-1,5 м закончили 18 июня 2020-го (металлическая конструкция сверху — временная)
Еще несколько фото прогресса. Первый кадр снят внутри токамак-здания. Под этой крышкой будет размещаться токамак ITER. Вдали видно здание сборки и перемещаемый кран.
А это основание криостата. Оно уже установлено туда, где будет собираться токамак.
В начале лета 2020-го проект ITER официально перешел из стадии строительства на стадию сборки. Мы чуть ли не каждую неделю принимаем на стройплощадке большие элементы токамака: катушки, части вакуумной камеры. И это новый вызов. Огромные компоненты предстоит подгонять с точностью часового механизма. К примеру, допуски изготовления вакуумной камеры (30-метровой конструкции весом чуть меньше килотонны) — 1 мм. Возможно, оборудование придется подгонять под неточные размеры компонентов.
А параллельно идет постоянное уточнение конструкции, переделка чертежей.
Например, электрики выяснили, что нужно использовать более толстые провода. Те, в свою очередь, не помещаются в трубопроводы, плюс придется увеличивать отверстия в стенах. А значит, вырастет поток нейтронов наружу. Итог: придется разрабатывать более стойкую к радиации электронику.
Есть такая шутка, что каждые два года проект строят заново. Но при этом ни один шаг нельзя пропустить: нельзя восемь лет ничего не делать, включившись только на финальном этапе. Необходимо пройти весь путь от начала и до конца.
Структура проекта
Как я сказал, в проекте семь участников. В соответствии с базовой договоренностью Европейский союз вкладывает 45%, остальные страны по 9%. Вкладывают деньги — в центральную организацию на юге Франции. А также оборудование (части установки) и лучшие умы.
На гистограмме ниже показано, как страны-участницы вкладываются в отдельные направления.
Под восьмой аббревиатурой JF, по всей видимости, скрывается доля других стран (Казахстан и Австралия). Это распределение довольно плоское. Направления не разделены между странами, и это осознанный шаг, чтобы знания в каждой из областей не концентрировались в одних руках. Все делают понемногу. Например, Россия отвечает за верхние патрубки вакуумной камеры. Также она делает несколько диагностических систем.
Тут видно, что Россия поставляет катушки тороидального поля, часть диверторов, несколько модулей термозащиты, часть вакуумной камеры
Важный момент, на котором я хотел бы остановиться, — это организация процессов в ITER.
В центре структуры — генеральный директор ITER Organization, над ним — совет ITER, в который входят представители всех партнеров, участвующих в проекте. Правительства стран — участниц проекта на схеме показаны зеленым.
Совет управляет всем процессом, диктуя свои решения директору. Тот, в свою очередь, воплощает их в реальность, управляя рядом департаментов. На схеме их всего три, в реальности же их намного больше.
Департаменты общаются с локальными агентствами стран-участниц (иногда их называют домашними агентствами), а те взаимодействуют с лабораториями и индустрией — именно они строят компоненты токамака и поддерживающих систем.
Некоторые подсистемы изготавливает ITER напрямую, но большая часть все же проходит через всю цепочку — от директора до завода в конкретной стране.
Как видно из схемы, линейное управление проектом отсутствует. Локальные агентства имеют выход на свои правительства, и цепь замыкается. Эта нелинейность — важная особенность ITER: в любом вопросе участвуют разные стороны.
Для ITER определено четыре основных этапа.
Так называемая Stage Approach Configuration должна дать первую плазму к декабрю 2025 года. Эту дату установили несколько лет назад, и она не сдвигается, несмотря на коронавирус и политические изменения.
В этой конфигурации ITER будет функционировать всего полгода. Мы называем эту стадию «политической плазмой»: на малой мощности она поможет нам проверить вакуумную камеру, систему нагрева, магниты. В итоге мы должны понять, что вакуумная камера работает и плазма создается.
Далее начнется досборка тонких систем, в том числе системы нагрева плазмы. По мере сборки запланированы Prefusion power operation 1 и 2 на 2028 и 2032 годы соответственно.
Выход на максимальную мощность — в декабре 2035 года. После 2035 года ITER будет функционировать в научных целях еще 10 лет. Планируется 5,5 тыс. разрядов в 500 МВт по 500 секунд.
Вместо итогов
На данном этапе речь не идет о коммерческом производстве электроэнергии путем термоядерного синтеза. Нейтроны не будут захватываться, а их энергия не будет преобразовываться в электричество. Нейтроны будут выходить из установки, и их будут задерживать бетонные стены здания. Частицы будут проникать в комнаты и ячейки, поэтому во время работы установки людей в здании не будет. А механические свойства материалов, подвергающихся постоянной бомбардировке нейтронами, конечно, рассчитывают с учетом планируемого срока эксплуатации установки (полный выход нейтронов за все время работы установки — порядка 10 21 ).
В теории есть несколько способов использовать кинетическую энергию нейтронов во благо. Один я уже упоминал — нагреть воду и поставить турбину. Второй путь — гибридный. Небольшой токамак можно обложить ураном-238 и использовать нейтроны для поддержания реакции распада урана. Масса урана при этом может быть много меньше критической, т.е. взрыва не произойдет ни при каких условиях. Если что-то пойдет не так в такой гибридной установке, реакция просто затухнет. Уран будет работать только за счет того, что его бомбардируют нейтроны, которые появляются, когда идет термоядерная реакция. И хотя такая станция производит радиоактивные отходы, она безопасна — не может взорваться.
Но финальная цель — это, конечно, чистый термояд, где нет урана и ядерных отходов. Это единственно правильная цель, но путь к ней долгий и сложный. Если ITER выполнит свою функцию и к 2035–2045 годам ответит на вопрос, можно ли получить выход энергии в 10 раз больше, чем затрачено, мы начнем строить демонстрационную станцию. В лучшем случае к 2050-му она даст ответ, будет ли коммерческий старт у проекта.
Однако двигаться в этом направлении надо. И ITER — это выгодная сделка. Каждый участник вкладывает 9%, но получает 100% разработок. По сути, это большой учебный проект для всех стран, который стоит намного дороже, чем любые коммерческие разработки. Но, несмотря на это, проект идет согласно графику и не обманывает ожидания. С каждым годом ему все больше доверяют, а значит, дальше работа должна пойти лучше и быстрее.
Основной этап строительства ITER завершен. Настал черед сборки реактора (фото — март 2020-го)
В общем, это будет подарок нашим внукам. О том, как продвигается проект, рассказывают на YouTube-канале ITER Organization.