Принести энергию солнца на Землю

Во Франции, около Марселя сегодня закладывается будущее всего человечества. И это не преувеличение, ведь международный проект термоядерного реактора ITER, создаваемый в Кадараше, открывает новую эру в энергетике. В случае успеха неисчерпаемая и практически безопасная энергия термоядерного синтеза превратит в реальность самые фантастические мечты человечества.  

Подписанное в 2006 году международное соглашение включает в себя 35 стран: 27 членов Евросоюза, Россию, США, Японию, Южную Корею, Китай и Индию. Насколько  учёные стран-партнёров приблизились к промышленному использованию термоядерной энергии? Об этом рассказывает директор российского подразделения ITER, доктор физико-математических наук Красильников Анатолий Витальевич. 

– Сразу хочется схватить «термоядерного быка» за рога и спросить: «Когда появится реальный шанс перейти в новую термоядерную эру?»

В конце 2025 года страны-партнёры ИТЕР планируют провести комплексное испытание всех систем. Этот момент мы называем «получение первой плазмы». Причём в данном случае первая плазма не как самоцель, а как иллюстрация того, что системы работают в запланированном режиме.

Надо заметить, что параллельно с проектом ИТЕР у всех партнёров ведутся работы по проектированию уже следующего шага – DEMO, демонстрационного реактора. 

ИТЕР – это научно-технический эксперимент, в нём не будут решаться  инженерные вопросы по преобразованию термоядерной энергии в ту форму, которая  удобна для непосредственного использования.  А вот ДЕМО должен не только обеспечить термоядерную реакцию, но и преобразовывать её в электрическую и тепловую энергии. Такие работы у большинства стран-партнёров запланированы на  2040–2050 годы. 

– Если уже даже определены даты возможного промышленного использования, то можно ли окончательно утверждать, что будущее человечества – это именно термоядерная энергетика? Или на этом пути нас могут ждать разные неожиданности?

«Подводные камни», конечно, будут, и многие из них видны уже сегодня. Именно поэтому ИТЕР является экспериментальным термоядерным реактором, ведь плазму надо не только получить, но и продемонстрировать, что мы можем удерживать её достаточно длительное время. Эта непростая с научной и технической точки зрения задача является одной из главных в проекте ИТЕР. Однако все, кто работает в рамках данной программы, уверены, что нужный результат будет получен. И тогда в руках у человечества окажется такая конструкция термоядерного реактора, которая позволит говорить о массовом промышленном применении.

Мы работаем над конфигурацией в форме токамака (тороидальная камера с магнитными катушками). Это - советское изобретение, и именно на его основе сейчас вся планета пытается двигаться в новое энергетическое будущее.

У специалистов нет сомнений в том, что именно термоядерный синтез является энергией следующего века. Все остальные области энергетики либо используют невозобновляемые ресурсы, как топливо, либо недостаточно стабильны, если говорить об энергии солнца или ветра, либо применимы локально, как в  гидроэнергетике. Человечеству нужен источник энергии, независимый от внешних факторов и неисчерпаемый с точки зрения топлива, а кроме того, безопасный. По всем этим параметрам термоядерная энергетика имеет уникальные преимущества.

С дейтерием и тритием на Земле проблем нет. Резервуар дейтерия – это мировой океан, а тритий мы умеем делать из лития, которого в природе достаточно. Если же говорить о безопасности, то в результате реакции синтеза не вырабатываются радиоактивные продукты, их просто нет. Продуктом синтеза между дейтерием и тритием является гелий-4 и нейтроны, энергию которых мы потом как раз и преобразуем. Гелий не радиоактивен, а нейтроны хоть и являются ионизирующим излучением, но оно локализовано внутри термоядерного реактора – в непосредственной близости от плазмы, внутри защищённого зала.

После того как  активация компонент термоядерного реактора становится выше определённого уровня, соответствующие компоненты термоядерного реактора заменяются и вывозятся в хранилища. То есть здесь нет никаких технических проблем. Кроме того, в термоядерном реакторе вероятность взрыва абсолютно исключена. В термоядерной энергетике просто нет такого внутреннего механизма, который порождает взрыв. Самая большая авария может привести к тому, что реактор просто потухнет. Тогда его придётся заново запускать. Но опасности взрыва, который мог бы угрожать всему вокруг, там нет. 

– Будем с нетерпением ждать такой замечательный источник энергии. Однако первый токамак создан в Советском Союзе уже давно. Почему же мы до сих пор ещё не добрались до промышленного использования?

Первый магнитный реактор был предложен Андреем Дмитриевичем Сахаровым ещё в 1950 году, и тогда Сталин подписал  постановление о начале реализации работ по управляемому термоядерному синтезу. Прорывная идея Сахарова заключалась в том, чтобы удержать плазму в виде тороида. Первая машина была построена уже в 1951 году, и потом начался бум токамакостроения. В Курчатовском институте за 25 лет их изготовили штук двадцать.

Тогда-то и стали очевидными главные проблемы. Когда вы удерживаете в руке твёрдое тело, то у него три степени свободы: оно может двигаться вправо – влево, вверх – вниз. А вот когда речь идёт об удержании плазмы, то там свободен каждый ион и каждый электрон. То есть у каждой частицы плазмы есть свои три степени свободы, а если ещё добавить вращение, то и  больше.

Умножьте это на огромное  количество частиц и представьте, как всё это удерживать? В начале «термоядерного» пути задача магнитного удержания казалась вполне решаемой, однако по мере исследований выяснилось, что в плазменном образовании возникают всё новые и новые неустойчивости. Учёные постепенно учились их стабилизировать. Это и потребовало десятилетий.

Семьдесят лет прошло с момента задумки термоядерного реактора, а мы всё решаем вопросы удержания плазмы. Термоядерная плазма проекта ИТЕР будет первой плазмой, в которой определяющим станет её нагрев альфа-частицами. Фактически мы получим первое удерживаемое плазменное образование, разогреваемое своими собственными альфа-частицами.

Скажу больше, мы говорим о некоем новом состоянии вещества: в плазме с температурой 300 миллионов градусов присутствует и группа супергорячих частиц, которые дополнительно раскачивают неустойчивости этой плазмы. В проекте ИТЕР человечество впервые столкнётся с удержанием и самой плазмы, и этой особой группы энергичных частиц. В этом как раз заключается особая миссия ИТЕР.

– Чтобы хотя бы попытаться представить масштаб научной задачи, скажите, насколько эта плазма горячее нашего Солнца?

В десять раз! Но сложность не только в этом. На Солнце плазма удерживается гравитационным полем, ведь наше светило – это огромный объект. Его гравитационные силы не дают плазме разлетаться в разные стороны. Поэтому плазма горит там миллионами лет и не вырывается наружу. А у нас такой роскоши, как гравитационное удержание, нет, ведь объект очень маленький. Сахаров и предложил удерживать плазму магнитным полем.

Именно эту систему мы  должны довести до совершенства, поскольку нельзя допустить, чтобы хоть частица плазмы выплеснулась на стенки реактора. В природе нет таких материалов, которые смогли бы выдержать температуру, в десять раз превышающую температуру  Солнца. Любая стенка просто сразу расплавится и испарится.

Раз невозможно удержать плазму в 300 миллионов градусов чем-то материальным, то и было придумано использовать для этого нечто совершенно иное – магнитное поле. Однако в ИТЕР это магнитное поле создаётся сверхпроводящей магнитной системой. Напомню, что температура, при которой обеспечивается сверхпроводимость, всего 5 градусов  Кельвина, то есть минус 268 градусов Цельсия. Такой холод в природе встречается только в космосе.

Представьте себе, в одной установке рядом должны соседствовать системы с температурой 300 миллионов градусов Цельсия и системы с температурой минус 268 по Цельсию. А расстояние между ними – всего три метра. 

– Это даже не «лёд и пламень», а нечто усиленное в миллион раз.

Да, и мы  должны обеспечить такое сосуществование, чтобы ни в коем случае горячая плазма не привела к тому, что температура сверхпроводника станет не пять Кельвинов, а семь. Это уже будет означать аварию.

– Минус 268 или минус 266 – для человека всё это находится за гранью понимания.

Да, бесконечно холодно и близко к абсолютному нулю. Но для проводника 5 Кельвинов – это температура сверхпроводимости, а 7 Кельвинов – это уже переход в нормальную фазу, которая недопустима для работы реактора.

– Задачи перед учёными стоят фантастические, однако я не могла пропустить Ваши слова про хранение отходов. Наверняка не пропустят их и экологи.

Радиационные отходы бывают разными. Одни из них очень опасны для людей, и само их хранение сопряжено с большими проблемами. В термоядерной энергетике активация материалов, находящихся близко к плазме, тоже ведёт к радиоактивности, поэтому после замены части реактора должны быть изолированы несколько десятилетий. Однако речь идёт об очень небольшом количестве конструкций, да и в ИТЕР они сделаны из такого материала, что их активация будет быстро спадать. Поэтому вопрос хранения отходов никак не должен беспокоить разумных экологов. 

– А можно ли упростить и сказать, что после двадцати лет хранения из частей термоядерного реактора можно без риска, условно говоря, делать кастрюли?

Из каких-то можно, с какими-то надо будет подождать подольше. 

– Если Советский Союз был пионером в термоядерной энергетике, то почему реактор строится во Франции?

Реактор строит целое международное сообщество, тридцать пять стран. Французский президент Жак Ширак, конечно, в определённой степени это лоббировал, однако решение принимала не Франция. На первом этапе Россия тоже предлагала свою площадку в Ленинградской области, но потом сняла это предложение.

Дело в том, что тот, кто предлагает площадку, должен внести взнос в размере 5/11 от стоимости проекта. А все остальные – 1/11. Поэтому из экономических соображений решили не настаивать на предложении площадки в России. Соревнование за выбор места шло между Японией и Евросоюзом. 

– Вас ещё не замучили вопросами о возможных террористах? Если через полвека повсюду в мире будут стоять термоядерные станции, то не станут ли они новой мишенью? 

Во-первых, на термоядерной станции нечему взрываться и взрывать там тоже нечего. Дейтерий и так везде в природе существует. А тритий хоть и синтезируется, но он там в таких небольших количествах, что если кто-то организует утечку, то этот элемент сразу улетучится в атмосферу.  Довести дело до катастрофы практически невозможно. 

– Раз по этим «сценариям» мы можем быть спокойны, то как Вы смотрите на другие: например, в Голливуде недавно сняли фантастический фильм о том, что с помощью термоядерной реакции астронавты должны «перезапустить» остывающее Солнце и тем самым спасти планету. 

«Перезапустить» солнце невозможно, пусть этим занимается Голливуд. Действительно, оно когда-нибудь потухнет, через сотни миллионов или миллиарды лет. За это время столько всего может произойти, что сейчас даже несерьёзно обсуждать. Однако вполне возможно уже говорить о том, что на каком-то этапе человечеству понадобится колонизация других планет.

И какая энергетика будет обеспечивать полёты и разворачивание там поселений? Какая энергетика будет их отапливать, обеспечивать всю жизненную инфраструктуру? Кроме термоядерной не видно никакой другой. Без термоядерной энергетики у человечества нет перспектив для  освоения других планет. 

– Фактически Вы сейчас работаете не только над тем, чтобы обеспечить будущее человечества на Земле, но и в космосе.

Да, термоядерная энергетика обеспечит экспансию человечества, и не только в космос, но, например, и в глубины мирового океана. Мы же до конца не знаем нашу собственную планету, нас ещё не было в глубинах океана. С какой энергетикой мы туда отправимся, если захотим? Только с термоядерной! 

Копирайт фотографий: Fusion For Energy (F4E)