Термоядерный синтез в 30-е годы может стать практической реальностью

Так выглядит ИТЭР в разрезе. Фото Reutres

Глобальное потепление и повестка дня, связанная с борьбой с ним, доминируют в мире. При этом однако в тени интересов общества остается вопрос термоядерного синтеза, который в принципе решает все энергетические и климатические проблемы человечества. Атомная энергия – сначала это было расщепление ядра, а теперь слияние ядер – до сих пор остается главным шансом человечества на резкое сокращение выбросов парниковых газов в атмосферу до нуля к 2050 году, о чем сказал Фредерик Бордри, руководивший разработкой и строительством другой безумно сложной установки для проведения научных экспериментов – Большого адронного коллайдера в ЦЕРН, пишет британская Independnt.

«Когда мы говорим о стоимости ИТЭР, это мелочь по сравнению с его воздействием на процесс изменения климата, – добавил он. – Нам придется найти необходимые средства».

В ходе термоядерного синтеза энергия образуется, когда атомы водорода сливаются вместе, образуя более тяжелые элементы, такие как гелий. Технология считается самым чистым безуглеродным источником энергии, который может обеспечить весь мир дешевым теплом и электричеством и остановить негативные климатические изменения на Земле. Но технология требует работы с плазмой при температуре 200 млн градусов. Основная проблема заключалась в том, чтобы заставить плазму генерировать больше энергии, чем требуется для ее запуска.

Поэтому состоявшаяся в конце прошлого года пресс-конференция российских участников международного термоядерного проекта ИТЭР привлекала внимание прессы.

Реализация идеи

Прежде всего, наверное, стоит отметить, что данный проект предусматривает строительство реактора в ядерном центре Кадараш на юге Франции близ Марселя.

ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor – проект международного экспериментального термоядерного реактора, который строится во Франции с 2007 года как прототип установок, в которых энергия будет вырабатываться в высокотемпературной плазме при синтезе изотопов водорода (то есть как следствие термоядерной реакции). Большая сложность и объемность проекта делают невозможной его реализацию отдельной страной, поэтому ИТЭР строится совместными усилиями стран ЕС, Китая, Индии, России, США, Южной Кореи и Японии. Цель проекта ИТЭР – создание реактора и разработка методов и условий формирования практически стационарного плазменного разряда, параметры которого будут способствовать интенсивной термоядерной реакции.

Одним из важнейших условий достижения цели проекта ИТЭР является разработка, производство и успешная эксплуатация ряда диагностических систем, часто основанных на новых методах, которые должны анализировать параметры плазмы, процессы, происходящие в ней, результаты плазменной обработки, взаимодействие со стенкой плазменной камеры и др. Во всех странах – участницах проекта разрабатываются различные системы диагностики. В России этим занимаются крупные научные центры «Курчатовский институт», ТРИНИТИ, НИИЭФА, НИКИЭТ и другие.

Этот проект является крупнейшим международным научно-исследовательским проектом в сфере ядерной физики. Он был начат в 80-х годах прошлого века с целью достижения фундаментального прорыва в сфере термоядерных и плазменных технологий и создания рабочего прототипа термоядерного реактора. С этой целью в те годы было подписано международное соглашение, в котором участвуют сегодня Россия, США, ЕС, Япония, КНР, Индия и Южная Корея. В основу реактора положена разработанная еще советскими учеными установка токамак, которая считается наиболее перспективным устройством для осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Идея использования управляемого термоядерного синтеза для промышленных целей в СССР была разработана советским физиком Олегом Лаврентьевым в середине 50-х годов. Работы по этому направлению велись советскими физиками Андреем Сахаровым и Игорем Таммом. Тут надо отметить, что имеется и другой тип реактора для подобных целей, который называется стеллатор и был изобретен американским физиком Лайманом Спитцером еще в 1950 году.

Для понимания проблемы отметим, что на Солнце осуществляется такой же синтез, но неуправляемый. Там идут термоядерные реакции превращения водорода в гелий и каждую секунду около 4 млн т вещества превращаются в лучистую энергию, в результате чего генерируется солнечное излучение.

Первая плазма в реакторе ИТЭР должна быть получена в 2025 году. Токамак представляет собой тороидальную камеру с магнитными катушками для магнитного удержания плазмы, что позволит создать условия для протекания управляемого термоядерного синтеза. Идея состоит в том, чтобы получать неограниченное количество энергии при минимальных первоначальных энергозатратах. Другими словами, ТЭР, согласно расчетам ученых, сможет генерировать около 500 МВт мощности при затрачиваемых 50 МВт. Главное отличие термоядерного синтеза от современной ядерной энергетики состоит в том, что в ней осуществляется реакция распада, а не синтеза.

Как отмечает Independent, в отличие от существующих реакторов, работающих за счет деления ядер, которые дают радиоактивные отходы и порой становятся причиной катастрофических аварий, ядерный синтез, как утверждают его апологеты, может стать чистым и в буквальном смысле неиссякаемым источником энергии. Разумеется, если ученым и инженерам удастся освоить технологии ядерного синтеза – они бьются над решением этой задачи уже почти 100 лет.

В противовес расщеплению атомов ядерный синтез фактически повторяет процесс, который естественным образом происходит внутри звезд: два атома водорода сливаются друг с другом, в результате чего возникает атом гелия – и выделяется огромное количество энергии.

Чтобы такое слияние двух атомов произошло, требуется невообразимое количество тепла и чрезвычайно высокое давление. Один из способов этого достичь – превратить водород в ионизированный газ, то есть в плазму, которую помещают в специальную вакуумную камеру в форме пончика.

Это можно сделать с помощью мощных сверхпроводящих магнитов, таких как «центральный соленоид», который американская компания General Atomics начала переправлять из Сан-Диего во Францию летом этого года.

Ученые утверждают, что ИТЭР уже готов на 75%. Они намерены запустить реактор уже к началу 2026 года. Их конечная цель – произвести больше энергии, чем требуется для того, чтобы разогреть плазму, и доказать, что технология ядерного синтеза действительно жизнеспособна.

О термоядерных реакторах в последние годы говорят все больше. Все больше стран уже занимаются этим направлением либо строят свои установки. И большинство частных компаний ожидают, что первые соответствующие реакторы появятся в 2030-х годах. Но пока все термоядерные реакторы в мире потребляют больше энергии, чем выделяют.

Американский физик Лайман Спитцер и советский ученый Олег Леонтьев стояли у истоков термоядерного синтеза.  Фото Denise Applewhite/Princeton University/NASA, фото с сайта www.bmstu.ru

Согласно отчету, магнитное удержание, при котором магнитные поля используются для удержания высокотемпературной плазмы, является наиболее популярной технологией при постройке термоядерных реакторов. Хотя производство электроэнергии является основной целью для частных компаний, занимающихся термоядерным синтезом, почти половина компаний считают, что эта технология также может найти применение для космических двигателей, судовых двигателей и прочих промышленных задач.

Надо понимать, что ИТЭР представляет собой только один из проектов и наиболее продвинутые в научном плане страны работают в этом направлении и самостоятельно. В прессу просочились некоторые сведения о достигнутых в других странах уровнях.

Так, токамак EAST в Китае проработал 17 минут при температуре 70 млн градусов по Цельсию. Это является самым продолжительным временем работы подобного аппарата в мире.Термоядерный реактор в Китае установил рекорд устойчиво высоких температур, достигнув 70 млн градусов по Цельсию. Об этом пишет Independent. Как отмечает издание, конечная цель проекта состоит в выработке почти безграничной чистой энергии, имитирующей естественные реакции, происходящие внутри звезд. При этом для данного процесса не требуется ископаемое топливо и он не оставляет опасных отходов. Проект уже обошелся китайским властям более чем в 700 млрд фунтов стерлингов.В июне 2021 года китайские ученые побили рекорд, достигнув температуры плазмы 120 млн градусов Цельсия в течение 101 секунды и 160 млн градусов Цельсия в течение 20 секунд.Эксперимент EAST является частью проекта по созданию Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР), в котором участвуют Китай, Индия, ЕС, Россия, США и другие страны.А американская компания Commonwealth Fusion Systems (CFS) начала строительство кампуса термоядерной энергии. Уникальный реактор SPARC будет размещен в местечке Девенс на северо-востоке штата Массачусетс, на бывшей базе Армии США, в 50 км к западу от Бостона. Там же построят корпоративные офисы компании и завод для промышленного производства аналогичных устройств.

«Впервые в истории мы на практике докажем, что термоядерный синтез может работать как чистый и безграничный источник энергии», – отметил генеральный директор CFS Боб Мумгаард.

Группа же ученых из Массачусетского технологического института (МТИ) вместе с одной частной компанией, сообщает Independent, объявили, что они тоже достигли важной стадии в разработке технологии ядерного синтеза: они успешно провели испытания самого сильного высокотемпературного сверхпроводящего магнита, который, возможно, позволит им обогнать команду ИТЭР в гонке за создание «солнца на Земле». Скорее всего в данном случае как раз идет речь о CFS. Команда МТИ утверждает, что ей удалось создать магнитное поле, которое в два раза сильнее поля ИТЭР, с помощью электромагнита, который в 40 раз меньше. Они сообщили, что, возможно, сумеют создать установку, готовую к широкому использованию, уже к началу 2030-х годов.

«Все это задумывалось как коммерческий проект, – сказала выдающаяся физик и вице-президент МТИ Мария Зубер. – Мы не рассчитывали на то, что это будет всего лишь научный эксперимент».

Предварительные итоги

Об итогах 29-го заседания совета ИТЭР, совместной работе стран-участниц над проектом, ключевых достижениях отечественных предприятий в его реализации и основных планах российской стороны на будущий год рассказали специальный представитель госкорпорации «Росатом» по международным и научно-техническим проектам Вячеслав Першуков, директор российского Агентства ИТЭР Анатолий Красильников и директор Института прикладной физики РАН Григорий Денисов.

В ходе пресс-конференции обсуждались итоги 29-го заседания совета ИТЭР, текущие результаты совместной работы стран-участниц над проектом, ключевые достижения отечественных предприятий в его реализации и основные планы российской стороны на будущий год. Вячеслав Першуков положительно охарактеризовал итоги прошедшего в ноябре заседания совета ИТЭР. Отвечая на вопросы журналистов, Вячеслав Першуков подчеркнул существенный прогресс в реализации проекта ИТЭР, а также сплоченность всех вовлеченных в его реализацию стран, равно как организаций и учреждений внутри России. По мнению Вячеслава Першукова, «прогресс на самом деле значительный. Сама площадка сооружения ИТЭР дает представление, что на ней сосредоточено большое количество и строительных, и технологических ресурсов, и все эти компании дружно работают над выдающимся проектом».

Директор российского Агентства ИТЭР Анатолий Красильников отметил ряд важнейших достижений кооперации российских участников проекта и поблагодарил их за масштабные результаты, полученные в 2021 году вопреки всем сложностям, связанным с пандемией. В своем обращении Анатолий Красильников сделал акцент на необходимости увеличить долю российских специалистов в Международной организации ИТЭР. «В этом смысле нам есть куда расти, эту цель мы видим», – сказал глава российского Агентства ИТЭР. – Мы связываем свои надежды с тем, что в России стартовала внутренняя программа по управляемому термоядерному синтезу, и это приведет к тому, что будет готовиться больше молодежи, будет расти ее квалификация».

Григорий Денисов напомнил, что одной из главных систем, за которые несет ответственность Россия в рамках проекта, являются восемь из 24 гиротронных комплексов. Их разработкой занимается Институт прикладной физики РАН, шесть из восьми комплексов уже изготовлены. Директор нижегородского института обратил особое внимание на то, что «работа по проекту ИТЭР привлекла молодых специалистов в Институт (прикладной физики РАН. – «НГ-энергия»). С точки зрения возраста ситуация в институте изменяется».

Вклад ученых МИФИ

В связи с пресс-конференцией заслуживает внимания анализ, опубликованный на сайте МИФИ, который существенно дополняет результаты пресс-конференции.

Работа ученых НИЯУ МИФИ над этой важнейшей для ИТЭР проблемой началась в 2013–2014 годах. Когда научная группа профессора Леона Беграмбекова (кафедра физики плазмы) предложила, а затем продемонстрировала электростатический метод удаления микроскопической металлической пыли из ИТЭР, создаваемой действием плазмы на стенки плазменной камеры и крайне негативно влияющей на параметры плазмы и безопасность установки. Развитие работы НИЯУ МИФИ по тематике ИТЭР активизировалось после подписания в 2016 году Меморандума об академическом и научном сотрудничестве между НИЯУ МИФИ и организацией ИТЭР. Научная группа, возглавлявшаяся тогда заведующим кафедрой физики плазмы профессором Валерием Курнаевым, разработала оригинальную методику поиска участков вакуумной камеры, где нарушена герметичность и откуда воздух попадает в вакуумную камеру.

Научная группа профессора Беграмбекова в течение 2017–2019 годов успешно выполнила три контракта на НИОКР с ИТЭР по комплексу задач диагностики плазмы. Также разработано и внедрено защитное покрытие для корпусов диагностических магнитных зондов; проведено экспериментальное исследование, определены причины и закономерности разрушающего воздействия плазмы на зеркала систем лазерной диагностики плазмы; решена комплексная задача ввода/вывода эндоскопа с электростатическим зондом из токамака.

В 2018 году Алексей Айрапетов, сотрудник НИЯУ МИФИ, провел шесть месяцев на площадке ИТЭР, работая над концепцией диагностической системы для сбора и анализа пыли токамаков.

Работа НИЯУ МИФИ по разработке метода и устройства для улавливания металлической пыли из ИТЭР продолжается в рамках трехлетнего контракта на создание электростатического зонда для ИТЭР, автоматизированной системы его ввода в токамак и удаление пыли из токамака. НИЯУ МИФИ выиграл тендер ИТЭР на этот контракт в 2019 году.

Благодаря высокому уровню научно-технической работы, выполняемой научным коллективом НИЯУ МИФИ, университет был приглашен штаб-квартирой ИТЭР для участия в тендере на разработку, изготовление, испытания и поставку в ИТЭР всего комплекса оборудования, входящего в состав Диагностической системы для сбора, извлечения и анализа металлической пыли, образующейся при работе ИТЭР. Приглашение НИЯУ МИФИ к участию в таком конкурсе вместе с ведущими мировыми научными организациями, несомненно, является признанием высокого потенциала ученых и специалистов университета.

В заключение важно отметить, что все страны, участвующие в проекте ИТЭР, – в том числе Соединенные Штаты, Россия, Китай, Япония, Индия, Южная Корея и множество европейских стран, – делят между собой расходы на его реализацию и все они могут пользоваться полученными научными данными и интеллектуальной собственностью.