Для чего нужен промышленный термоядерный реактор

Учёные, работающие над созданием промышленного термоядерного реактора, назвали тот объём выработки энергии, который они планируют достичь к середине 2030-х годов, если их международный эксперимент ИТЭР (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor) увенчается успехом. Участники научной программы пытаются осуществить задуманное уже несколько десятков лет: часть используемых установок были внедрены ещё в СССР. О том, какова роль россиян в проекте и когда ждать экономической пользы от реактора размером с девятиэтажный дом, RT поговорил с одним из разработчиков ИТЭР, сотрудником кафедры физики плазмы Национального исследовательского ядерного университета МИФИ Александром Войтюком. — Что такое ИТЭР? Чем может быть полезен этот международный эксперимент? — ИТЭР — это первый в мире международный экспериментальный термоядерный реактор. Он нужен, чтобы продемонстрировать возможности реализации управляемого термоядерного синтеза (УТС) в промышленном масштабе. Также на этом термоядерном реакторе можно опробовать в деле множество инженерных решений и технологий и накопить опыт, необходимый для развития термоядерной энергетики. Строительство ведётся в исследовательском центре Кадараш во Франции. В основе реактора лежит установка токамак (установка для магнитного удержания плазмы. — RT), разработанная в Советском Союзе ещё в 50-х годах прошлого века. В установке для удержания высокотемпературной плазмы применяются сильные магнитные поля определённой конфигурации — они не позволяют плазме касаться стенок камеры и разрушать их. «Сердце» реактора — вакуумная камера в виде тора («бублика»). Она окружена сверхпроводящими магнитными катушками, которые создают сильное магнитное поле. В камере, которая заполняется дейтериево-тритиевой смесью, при помощи индуктора наводится ток и происходит пробой газовой смеси — загорается разряд. Магнитное поле удерживает плазменный «бублик», не давая ему сильно расшириться и повредить стенки камеры. Затем различными методами повышают температуру плазмы — увеличивают энергию составляющих её ионов и электронов. Чем она больше, тем проще частицам взаимодействовать. При достаточной энергии произойдёт реакция синтеза двух ядер (дейтерия и трития), результатом которой станет выделение энергии. Вакуумная камера вместе с магнитными катушками, индуктором, откачивающей системой насосов, системами нагрева плазмы, диагностики её параметров и электропитанием находится внутри криостата — своеобразного гигантского «термоса» размером с девятиэтажку, который изолирует все элементы реактора от внешней среды и поддерживает необходимую температуру для работы сверхпроводников. — В каких сферах проекта задействованы российские университеты? — Во многих. На самом деле участие в ИТЭРе — прекрасная возможность развить в стране высокотехнологичное производство. Россия поставляет около 20% всех сверхпроводниковых материалов, одну из магнитных катушек, системы нагрева плазмы (гиротроны), элементы силовых цепей, части первой стенки, бланкета и дивертора (это элементы, которые будут принимать на себя все потоки частиц и излучения, идущие из плазмы), системы диагностики параметров плазмы и элементы вакуумной камеры. Каждая из вышеперечисленных задач — сложное, высокотехнологичное и наукоёмкое производство, результаты которого в дальнейшем могут быть использованы не только в термоядерной энергетике, но и в других, самых разных областях. — На какой стадии сейчас находится эксперимент? Скоро ли удастся использовать полученные результаты в коммерческих целях? — Сам эксперимент ещё и не начинался — он пока только строится. На сегодняшний день про какое-либо коммерческое использование управляемого термоядерного синтеза говорить не приходится — пока нет ни одного работающего реактора. Всё, что есть, — большое количество экспериментальных установок, на многих из которых получаются хорошие данные, как по параметрам плазмы, так и по времени её удержания. ИТЭР во многом поможет ускорить процесс развития термоядерной энергетики, но проблема УТС слишком сложна и многогранна, чтобы её можно было решить за короткое время. Тут можно вспомнить цитату, которую приписывают Льву Андреевичу Арцимовичу (его и у нас, и на Западе считают пионером термоядерных исследований): «Надежда на быстрое решение проблемы УТС — то же, что надежда грешника попасть в рай, минуя чистилище». О каких-то временных сроках тут говорить трудно — кто-то даёт оценки в 40-50 лет, кто-то меньше, а кто-то больше. В любом случае до окончания всех работ и экспериментов на ИТЭРе говорить о реализации промышленной термоядерной энергетики рано. Сейчас идёт активное строительство зданий и создание систем и комплектующих, необходимых для реактора. Собственно, начало сборки самого реактора в шахте намечено на 2019 год, а окончание строительства и первая плазма — на конец 2025 года. При этом к 2025 году смонтируют не все системы, поэтому после первых экспериментов пройдёт ещё лет 10, прежде чем ИТЭР станет полноценной термоядерной установкой и сможет продемонстрировать термоядерную реакцию мощностью 500 мегаватт. — Если говорить именно о вашей работе, в чём она заключается? — В настоящий момент я работаю над проектом системы для диагностики пылевых частиц, образующихся в процессе работы реактора. Это серьёзная головная боль для инженеров: попадая в плазму, пылевые частицы могут охладить её, в результате реакция может просто затухнуть. Кроме того, из-за пыли могут возникать неустойчивости, которые могут привести к срывам плазмы на стенки камеры. Вдобавок пылевые частицы могут захватывать и накапливать радиоактивный тритий, что недопустимо по соображениям радиационной безопасности, — в ИТЭРе из-за этого установлен порог по допустимому содержанию трития в камере реактора (сейчас он на уровне 700-1000 грамм). Если больше — реактор должен быть остановлен и поставлен на обслуживание (детритизацию). Для промышленного «термояда» это очень плохо — простой будет влиять на экономическую выгодность. ИТЭР в этом случае даёт прекрасную возможность «обкатать» как системы детектирования и анализа пылевых частиц, так и системы по их удалению. Сейчас мы разрабатываем систему, которая на первом этапе работы ИТЭРа будет использоваться для анализа образующихся частиц пыли — в нижней части камеры будут располагаться специальные технологические каналы, в которых пыль будет накапливаться. В дальнейшем в каналы будет запускаться специальное устройство, чтобы собирать её для анализа.