21 ноября 2006 г. в термоядерных исследованиях произошло событие, которое, по общему мнению, следует назвать историческим: на встрече в Париже представители Индии, Китая, России, США, Южной Кореи, Японии и Европейского союза подписали соглашение о финансировании Международного проекта по созданию интернационального термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР) во Франции. Сегодня усилия ученых и инженеров многих стран мира направлены на его строительство, развернувшееся в небольшом городке Кадараше в 70 км к югу от Марселя. Эти события послужили темой статьи академика Евгения Велихова и доктора физико-математических наук Сергея Мирнова, посвященной истории развития ИТЭР и его современному состоянию, опубликованной в журнале Московского энергетического института "Вестник МЭИ" (N 4, 2009). С согласия редакции "Вестника МЭИ" и авторов мы публикуем ее сокращенную версию.

Академик Евгений ВЕЛИХОВ, президент РНЦ "Курчатовский институт";

доктор физико-математических наук Сергей МИРНОВ, начальник отдела экспериментальной физики токамаков Троицкого института инновационных и термоядерных исследований (г. Троицк, Московская область)

МЕТОДОМ ПРОБ И ОШИБОК

Специалисты, вовлеченные в цикл производства энергии, воспринимают понятие "финишная прямая" по-разному. Например, известный американский ученый и предприниматель Томас Эдисон (1847 - 1931), изобретая электрическое освещение, одновременно придумал лампочку, патрон (мы пользуемся им по сей день), электросети и даже генераторы подстанций. Тем не менее внедрение электрического освещения в повседневную жизнь затянулось чуть ли не на полвека: очевидно, не было, по выражению академика Льва Арцимовича (правда, применительно к термояду), "совершенной необходимости".

Продолжая эту аналогию, можно сказать: современные специалисты в области физики плазмы пока сосредоточены на проблеме "нити" в своей "лампоч-

Принципиальная схема токамака-реактора.

ке", полагая, что ее техническое решение будет финишем, после которого они смогут передать дело в руки других ученых, более близких к практической энергетике, а те уже вплотную займутся "патроном и цоколем". Оно и должно стать ключевым итогом проекта ИТЭР, предполагающим осуществление квазистационарного (длительностью 400 - 1000 с) термоядерного горения дейтерий-тритиевой (ДТ) смеси в соотношении 50:50% - той самой, которую, как известно, с успехом использовали в водородных бомбах. Разумеется, при этом не будут забыты и проблемы "патрона с цоколем". Но все же конечная задача ИТЭР состоит в том, чтобы, фигурально выражаясь, "растянуть" продолжительность термоядерного взрыва от микросекунд (в бомбе) до часов и дней.

Предназначенные для этого устройства называют термоядерными реакторами. Их основная функция - изолировать с помощью магнитных полей от материальных стенок установки ДТ-смесь, нагретую до 100 млн. °C (заметим: в центре Солнца только около 15 млн. °C!). Вещество при таких сверхзвездных температурах полностью ионизовано, т.е. находится в состоянии плазмы. Проблема ее термоизоляции составляет основную "интригу" исследований в области управляемого термоядерного синтеза на протяжении последних 50 лет.

Наибольшие успехи в этом направлении достигнуты на так называемых токамаках (тороидальная камера с магнитным полем). Идея их создания была обоснована в нашей стране академиками Андреем Сахаровым и Игорем Таммом в начале 50-х годов XX в., а техническая реализация, завершившаяся получением первой высокотемпературной термоядерной плазмы (Государственная премия СССР 1971 г.), осуществлена в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова (ныне РНЦ "Курчатовский институт") под руководством Льва Арцимовича в конце 1960-х - начале 1970-х годов. Смесь тяжелых изотопов водорода дейтерия и трития нагревают в тороидальной камере реактора, слегка "поджатой" к центру, до температуры термоядерного горения сильноточным (до 20 МА) газовым разрядом, получаемым с помощью обыкновенного трансформатора. Плазма при этом выполняет роль вторичного короткозамкнутого витка. Его "подвешивают", чтобы не "разорвался" и не коснулся стенок, в пространстве и стабилизируют так называемыми полоидальным и тороидальным магнитными полями, создающимися с помощью специальных обмоток. В итоге замкнутая винтовая конфигурация становится почти идеальной ловушкой для плазмы, эффективно защищающей материальные стенки камеры от воздействия сверхвысоких температур. Главный продукт термоядерного синтеза - быстрые (14 МэВ) нейтроны - преобразуются в тепло и пар в специальном устройстве - бланкете, окружающем тороидальную камеру.

Эта идея породила массовое подражание в мире. И, как часто бывает, ученики превзошли учителей. Уже в конце 1970-х годов в США на токамаке PLT получили плазму с температурой реакторного масштаба (70 млн. °C), а 30 октября 1997 г. в одном из экспериментов с ДТ-смесью на объединенном европейском токамаке JET (поперечный размер камеры около 2 м, высота 4 м, максимальный ток 7,5 МА, индукция тороидального магнитного поля до 3,5 Тл) в Англии достигли ядерного энерговыделения в 17 МВт, что соответствует уровню мощности, вводимой в плазму для поддержания термоядерного горения. Многочисленные пластины этой установки - защитные элементы камеры - изготовлены из графитовых композитов, подобных используемым в космических челноках, и для снижения эрозии покрыты тонким слоем бериллия. Так был взят принципиальный рубеж в исследованиях по управляемому синтезу, получивший название "режима перевала" - равенства тепловых потерь и энерговыхода реакции термоядерного синтеза. Правда, пока рекордный результат получили лишь в переходном импульсном режи-

ме длительностью около 1 с. Скажем прямо: это только "чирканье термоядерными спичками".

Для энергетического реактора необходимо стационарное или квазистационарное (многосекундное) горение. Похожее длительностью в десятки секунд уже реализовали в некоторых крупных токамаках, но тепловые потери в них заметно превышают энергетический выход (а должны быть приблизительно в 5 раз ниже). Дело в том, что продуктами ДТ-синтеза являются быстрый нейтрон (14 МэВ) и достаточно энергичный (3,6 МэВ) ион ⁴He (α-частица), "связанный" в отличие от "свободного" магнитным полем и не способный покинуть плазму. Его энергия по мере торможения должна нагревать плазму как бы изнутри. Как только мощность внутреннего нагрева, составляющая 1/5 полного ядерного энерговыделения, скомпенсирует тепловые потери, термоядерное горение станет самоподдерживающимся. При этом системы внешнего нагрева - пучки нейтральных атомов высоких энергий, ВЧ- и СВЧ-генераторы - можно будет отключить, что, несомненно, упростит и удешевит реактор. Этот момент называют "зажиганием". По прогнозам, оно произойдет, когда полная тепловая мощность ядерного синтеза достигнет 500 МВт.

Словом, следующим логическим шагом программы токамаков становится большой проект - ИТЭР, способный соединить на основе базовых достижений физики и существующих технологий идеи зажигания и стационарного термоядерного горения.

НЕ ИЛЛЮЗИЯ, А РЕАЛЬНОСТЬ

Уже первая ориентировочная оценка проекта указывала на затраты около 10 млрд. дол. США. Поскольку стоимость самых крупных токамаков, действовавших в мире в конце 1980-х годов, не превышала 0,5 млрд. дол., сомнений не было: ИТЭР желательно делать сообща. Идею кооперации выдвинула наша страна в 1985 г., ее поддержали сначала США, затем Япония и Европейское сообщество. Первую версию, разрабатывавшуюся в течение 5 лет объединенным многонациональным коллективом физиков и инженеров и стоившую странам-учредителям около 1,5 млрд. дол., завершили в 1998 г.

Впервые в инженерной практике удалось создать проект квазистационарного термоядерного реактора с расчетной тепловой мощностью около 1,5 ГВт, оставаясь в рамках реально освоенных технологий. Кроме того, в натуральном виде были сделаны и испытаны некоторые ключевые элементы конструкции. Все чертежи, выполняемые по нормам, действующим на Западе, можно было прямо передавать в производство. Но стоимость сооружения установки, близкая к первоначальной оценке (7,5 млрд. дол. за 10 лет), вызвала волну критики из-за "дороговизны". Американцы предложили уменьшить ее в 2 раза. Остальным учредителям идея понравилась, и проектировщики взялись за удешевление. Однако это не спасло альянс. Конгресс США счел участие в нем несоответствующим государственным интересам страны, и четверка учредителей превратилась в тройку.

Кооперация между тем не распалась. Проект ИТЭР стоимостью 5 млрд. дол. в новых ценах завершили в 2001 г. Его технические параметры (высота камеры около 8 м, поперечник - ~4 м, индукция тороидального магнитного поля на оси камеры - 6 Тл, полный плазменный ток- 18 МА, первичная обмотка трансформатора и обмотки полоидального поля - сверхпроводящие) принципиально позволяли получать импульс термоядерного горения длительностью до 400 с. При этом его мощность должна достигать 500 МВт, что превышает уровень энергозатрат на поддержание процесса горения. Для изучения про-

Внутренний вид плазменной камеры самого мощного из действующих токамаков - JET (Англия), на котором осуществлена термоядерная реакция с выделяемой мощностью 17 МВт.

блем наработки трития и утилизации энергии быстрых нейтронов в ИТЭР будут установлены варианты бланкетных модулей. От прямого плазменного воздействия их защитят пластины бериллия.

Проделанную работу с удовлетворением приняли учредители (Евросоюз, Япония, Россия), но проект... "положили на полку", где он пролежал без малого 4 года. Решали трудный вопрос, где строить: во Франции или в Японии? Оба государства имеют развитую ядерную энергетику (60 - 70 % всего электричества здесь производят АЭС). Получить международный заказ высокой стоимости - значит, дать мощный импульс развитию технологий в своих странах. За время торга к учредителям примкнули КНР, Южная Корея, вернулись США и, наконец, присоединилась Индия. На челночную дипломатию уходило немало времени, все далее отодвигались возможные сроки выхода управляемого термоядерного синтеза на арену промышленной энергетики.

Может быть, он не актуален? Говорят, западный мир ждет дешевой иракской нефти после установления там демократии. Однако высказывают и веские опасения: нефтяного "эльдорадо" не дождаться, даже если ее распространить на весь Ближний Восток. Дело в том, что в конце XX в. 15% населения экономически развитых стран потребляло 85% мировых ресурсов. Но все неравенства стремятся к выравниванию. Живой пример - экономический прогресс Китая. Его идеал 1970-х годов - швейная машинка, велосипед, телевизор - сегодня активно дополняет автомобиль. Напомним: это 1,5 млрд. человек. А далее - Индия, Африка...

На заключительном этапе переговоров весной 2005 г. в бой вступили политические "тяжеловесы": президент Франции и премьер-министр Японии. Финалом стал долгожданный консенсус: строить во Франции, однако ряд наиболее дорогостоящих заказов и значительную долю подготовки специалистов передать Японии. Детали еще подлежат уточнению, но факт окончательного выбора места - выдающаяся победа, к которой участники ИТЭР шли почти 20 лет. Половина затрат ложится на Европу и по 10% - на Россию. США, Южную Корею, Японию и Индию.

ПЕРСПЕКТИВЫ ЭНЕРГЕТИКИ СИНТЕЗА

Что обещает человечеству управляемый термоядерный синтез? Для специалистов очевидно: ДТ-энергетика - естественная часть ядерной. Их "роднят" быстрый нейтрон с энергией 14 МэВ и неизбежная активация реакторных конструкций. Более того, в настоящее время активно обсуждают перспективу использования ДТ-синтеза не только для производства электроэнергии, но и "дожигания" радиоактивных отходов реакторов деления, т.е. улуч-

Макет ИТЭР в масштабе 1:50.

Компьютерная модель ИТЭР в разрезе.

Сегодня весь проект ИТЭР умещается в одном ангаре, но через 10 лет это будет целый город.

шения экологических показателей современной ядерной энергетики. Что удивительно, все составные элементы, которые могут потребоваться, уже есть, только в различных странах и разных лабораториях. Собрать их воедино, когда это станет "совершенно необходимо", не составит большого труда.

Термояд почти не ограничен ресурсами. Запасы дейтерия практически безграничны (на каждые 7000 атомов водорода в обычной воде приходится атом дейтерия), а литий (из него воспроизводят второй компонент топлива - тритий) широко распространен в природе. Энергетика синтеза, по оценкам экспертов, будет безопаснее энергетики деления урана примерно на два порядка - главным образом по причине отсутствия газообразных и жидких радиоактивных отходов. Твердые, по мнению специалистов, не представляют большой угрозы. Кроме того, в отличие от последней она практически безынерционна. Ситуации, схожие с аварией на Чернобыльской АЭС, исключены в ней по определению. Наконец, энергетика синтеза не требует урана. Соединение ее с урановой либо ториевой (гибридные установки) рудой сулит большие перспективы как в области реакторной безопасности, так и в ресурсном обеспечении традиционной энергетики на ²³⁹Pu и ²³³U.

Можно ли ДТ-установки использовать для производства оружия? Да, как любые, где фигурируют нейтроны. Потребуется международный контроль.

Каков суммарный вклад России в ИТЭР? Наше согласованное участие в его сооружении - 50 млн. дол. США в год на протяжении 10 лет строительства. Деньги для отечественной науки большие, но умеренные по сравнению, скажем, с расходами на содержание серьезной футбольной команды. Тратиться они будут в основном внутри страны по системе зачетов.

Но какова выгода России? Главная - и мы почувствовали это уже в процессе проектирования - выход на высокие технологии и импульс к их развитию в нашей стране. Правда, процесс их "расползания", похоже, раздражает некоторых союзников.

Когда можно ожидать внедрения управляемого ДТ-синтеза в большую энергетику? ИТЭР - реактор экспериментальный, создаваемый на базе сегодняшних (точнее, вчерашних) апробированных технологий, к сожалению, еще не прототип энергетического. Его цель - продемонстрировать практическую возможность термоядерного зажигания и стационарного горения. Производство электроэнергии - задача следующего, демонстрационного реактора, контуры которого пока плохо различимы и будут определены при реализации нынешнего проекта. Однако его предполагаемые ключевые технологии обсуждают, разрабатывают, а некоторые даже испытывают сегодня. Не исключено, в итоге он станет одной из очередных модификаций ИТЭР, что, кстати, сэкономит время и средства. Но при всех даже самых благоприятных вариантах процесс создания первого энергетического реактора растянется не менее чем на 20 - 30 лет. Очевидно, этот срок следует отсчитывать от момента реального пуска установки в Кадараше. Главная задача, которую предстоит решить в данный отрезок времени, - обеспечить стационарное термоядерное горение и долговременный ресурс ее основных элементов, сделав тем самым новый источник энергии конкурентоспособным по отношению к традиционным. Заметим: если бы она была решена, демонстрационный реактор с термоядерной мощностью ИТЭР, снабженный в дополнение ториевым бланкетом, мог бы поставлять в сеть до 1 ГВт электроэнергии и нарабатывать за год до 2 т горючего для ядерной энергетики на тепловых нейтронах (²³³U). Его могло бы хватить для производства еще 2 ГВт уже на атомных установках. Тория же в нашей стране значительно больше, чем урана.

Иллюстрации с web-сайта проекта ИТЭР и других интернет-источников

Publisher:

Permanent link for scientific papers (for citations):

Comments: