Мегареактор или Появится ли наконец «вечный двигатель»?

Как Солнце - вечный?

Статья по теме

Ярче тысячи солнц. 65 лет назад наша страна создала ядерное оружие

В отличие от нынешних технологий ядерной энергетики, основанных на реакции распада, когда из более тяжёлых ядер образуются более лёгкие, при термоядерном синтезе, наоборот, лёгкие атомные ядра соединяются, образуя более тяжёлые.  

Долго ли ждать результата?

При создании таких тяжёлых ядер освобождается значительная энергия, которую раньше атомы тратили на взаимодействие друг с другом. Вот её-то и стремятся получить в разных странах уже много лет. Термоядерный синтез не создаёт проблем с накоплением радиоактивных отходов. К тому же он станет вожделенным «вечным двигателем», яркий пример которого у нас над головой: светило, согревающее нашу Землю, представляет собой естественный термоядерный реактор.

С 50-х гг. прошлого столетия учёные занимаются тем, чтобы сделать термоядерный синтез управляемым. С 1961 г. регулярно, раз в два года, Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) проводит представительные конференции по этой теме. Так когда же? Когда появится конкретный результат, выраженный в джоулях или ваттах?

На XXV конференции МАГАТЭ, состоявшейся на прошлой неделе в Санкт-Петербурге, учёные из разных стран были единодушны: теоретическая и проектная база для создания первого реактора разработана. Это подтвердил и Александр Бычков, заместитель гендиректора МАГАТЭ: «От теоретических вопросов работа переходит к инженерным, материаловедческим и прочим практическим решениям».

Около 600 ведущих учёных-термоядерщиков собрались вместе. Они приехали в российскую Северную столицу из 43 стран мира. Самые представительные делегации, конечно, из самых продвинутых в этой области стран - России, Японии, США. Солидными были и делегации Германии, Франции, Южной Кореи, Китая, Италии.

Конечно, заявления о готовности проекта не означают, что в этой теме теоретикам больше делать нечего. Вопросов для обстоятельных обсуждений им хватило на неделю. Залы не пустели после обеда, как это часто бывает на таких мероприятиях. Каждый день до вечера участники конференции слушали своих коллег, задавали вопросы, дискутировали.

Уже не мечта?

И всё же одной из главных тем стал международный проект ИТЭР - строительство экспериментального термоядерного реактора во французском исследовательском центре Кадараш, в 60 км от Марселя. В нём участвуют ЕС, Россия, США, Япония, Китай, Южная Корея, Индия. Это и будет первая термоядерная установка, вырабатывающая  тепловую энергию в промышленных масштабах - 500 МВт.

За основу взят наш токамак (тороидальная камера с магнитными катушками), появившийся ещё в 1954 г. В нём магнитное поле удерживает разогретую плазму, не позволяя ей касаться стенок камеры, которые не выдержат столь высоких температур. После 1968 г., когда на токамаке T-3 в Курчатовском институте удалось разогреть плазму до 10 млн градусов и англичане подтвердили этот факт, такие установки начали строить в разных странах.

Но токамак ИТЭР будет всем токамакам токамак! По проекту он 30-метровой высоты. Расположится на площадке в 1 км длиной и 400 м шириной.

Вячеслав Першуков, директор блока по управлению инновациями, заместитель генерального директора Госкорпорации «Росатом», при поддержке которой и прошла конференция в С.-Петербурге, привёл важные цифры. Среди всех научных публикаций в области термоядерного синтеза, технологии, которая используется в проекте ИТЭР, посвящено существенно более половины.

Неудивительно, что Осаму Мотоджима, генеральный директор Международной организации ИТЭР, был одним из самых популярных и востребованных участников конференции. «На наших глазах проект прошёл путь от бумаги до бетона, - сказал он. - И это демонстрирует, что термоядерная энергия - уже не мечта, а реальная задача».

Почему сдвигают сроки?

Когда проект начинался, предполагали, что строительство термоядерного реактора завершится в 2016 г. Но, к сожалению, некоторые участники свои обязательства не выполнили, а потому окончание «ядерной стройки», очевидно, произойдёт уже после 2021 г.

«Нельзя относиться к переносу сроков слишком жёстко, - считает Олег Филатов, руководитель Научно-исследовательского института электрофизической аппаратуры им. Д. В. Ефремова, который выполняет большую часть российских работ по проекту и координирует работы других «росатомовских» организаций в рамках ИТЭР. - Если бы мы строили серийный ядерный реактор, то всё было бы понятно: как управлять, в какие сроки укладываться. Но ИТЭР - первый! Никто такого ещё не строил. Предсказать срок - это очень трудно, если вообще возможно. Мы все эти вопросы обсуждаем на научно-техническом комитете проекта. Так вот, с точки зрения научно-технической всё делается правильно».

Кроме технических сложностей, есть и элементарная инфляция. С тех пор, как производилась оценка работ, только медь на мировом рынке подорожала в несколько раз. И хотя у ИТЭР нет общего бюджета в какой бы то ни было валюте (он рассчитан в условных единицах, и участие каждой страны «натурализировано» конкретными работами или оборудованием), потянуть изрядно «потяжелевшую» ношу под силу не всем.

Российские атомщики - единственные, кто со своими обязательствами справляется в срок. Это подтвердил и Мотоджима-сан, назвавший нашу страну «одной из ведущих сторон проекта». Он надеется, что Европа и США также выполнят свои обязательства.

На участников ложится разная нагрузка. Но независимо от вклада каждого созданный интеллектуальный продукт (а уже сейчас понятно - разрабатываются совершенно уникальные технологии) будет доступен в равной степени всем.

«Латинское слово с аналогичным звучанием - «итер» - означает «переход», «поход», - говорит Осаму Мотоджима. - Мы пошли в поход, и идти приходится подчас холмистой и ухабистой дорогой, которую невозможно преодолеть быстро. Но в её конце мы должны совершить переход - в этом и заключается наша миссия, которая, возможно, изменит судьбу человечества».

Кстати

И делить, и соединять?

Пока термоядерный реактор прошёл только первую часть пути - от бумаги до бетона, учёные Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», которые всегда задавали тон исследованиям в этой области, представили уже новый проект - гибридный реактор.

Евгений Велихов, президент центра, в своём докладе в С.-Петербурге подробно рассказал о гибридных системах термоядерного синтеза, в котором реакции деления и соединения атомов дополняют друг друга и гармонизируют общий процесс. Такие системы замыкают ядерный цикл, позволяя воспроизводить топливо внутри себя, и становятся частью «зелёной энергетики».

Главная идея гибридных систем, как сформулировал её академик Велихов, основывается на том, что уже достигнуто. «Мы опираемся на результаты ядерной энергетики в целом, - сказал он, - потому что Курчатовский институт всегда рассматривал ядерную энергетику в широком смысле».

Мнение эксперта

Сергей Кириенко, генеральный директор Госкорпорации «Росатом»:

- Термоядерная энергетика, которая в недалёком будущем должна открыть перед человечеством доступ к практически неограниченному источнику энергии, - это одно из наиболее интересных и перспективных направлений современной ядерной физики. Именно в неё российская наука внесла большой и яркий вклад.

Четыре «M»

Оператор лазерной сварки держит в руках пульт и посматривает в окошко кабины, где робот выполняет всю работу, уверенно перемещая свой лазерный «глаз». Работа закончена, и на стальной пластине появился тонкий контур неправильной формы - кажется, просто нарисованный.

Кто выполнит операцию?

Каждая операция, которую выполняют в Научно-исследовательском институте электрофизической аппаратуры им. Д. В. Ефремова (НИИЭФА), равно как и других организациях «Росатома», участвующих в ИТЭР, уникальна. Поэтому здесь и заняты люди высочайшей квалификации. Среди них много молодёжи, которой интересно не только получать высокие зарплаты, но и чувствовать сопричастность к мегапроекту современности. Ведь он может открыть невероятные перспективы развития цивилизации. Для всех сотрудников института будущий реактор - не мечта, а реальность, в которой они уже живут.

Однако качественно выполнить операцию - ещё далеко не всё. Вслед за этим - строжайший и многоступенчатый контроль. Например, каждый сваренный шов проходит визуальный контроль, потом - капиллярный, потом - рентгеновский, потом - ультразвуковой… А проварить таким образом предстоит примерно 30 км швов!

Изделия электрооборудования, которое изготавливают для проекта в институте, квалификационные испытания проходят по несколько месяцев - помимо простых необходимы и ресурсные, поскольку очень важно, чтобы оборудование выдержало нереальные доселе нагрузки.

Каков спрос на технологии?

Первая стенка так называемого бланкета ИТЭР - это первая материальная граница с разогретой до 15 млн градусов плазмой. Её площадь - 650 кв. м, 179 панелей этой стенки (40%) изготавливают в НИИЭФА.

Панели нельзя будет поменять или отремонтировать, если обнаружатся недочёты. Поэтому тщательнейшим образом в институте определяли материалы для их изготовления. По словамИгоря Мазуля, начальника отдела проектирования обращённых к плазме компонентов, от графита, который по своим характеристикам, в принципе, мог бы использоваться для облицовки обращённой к плазме стороны стенки, отказались в пользу бериллия. Но чтобы от высоких температур он не растрескался, как земля в летний зной, его нарезают небольшими квадратными пластинами - тогда при ожидаемых тепловых нагрузках материалу будет легче «дышать». В процессе работы нашим учёным и специалистам предстоит нарезать 300 тыс. таких бериллиевых квадратиков с точностью до 0,1 мм. Ещё одна серьёзная задача - соединить друг с другом разные материалы: бериллий и бронзу, медь и нержавеющую сталь, вольфрам и медь. Медь наплавляют на вольфрам в вакуумной камере, сталь соединяют с медью методом «сварки взрывом» - на полигоне именно в процессе взрыва медь проникает в сталь, образуя единый металлический блок, который уже невозможно разъединить, в отличие от обычной сварки.

Всё это - новейшие технологии, часть которых рождается прямо в процессе работы. Ими, конечно, хотят овладеть многие страны, чем и объясняется международная кооперация в проекте. Например, производство, уже созданное для изготовления катушек полоидального поля системы питания ИТЭР, можно будет использовать в дальнейшем и для изготовления крупногабаритных магнитных систем сверхпроводниковых накопителей энергии.

«Традиционно считается, что успех проекта решают три «m»: кадры (men), средства (money) и оборудование (machinery), - говорит Осаму Мотоджима. - Но в этом институте, как и вообще в России, есть ещё одно очень важное «m» - mind. Разум, интеллект. Будучи здесь, я ещё раз убедился, что нашему проекту будет сопутствовать успех».

Марина Набатникова