Ссылки для упрощенного доступа

logo-print

Ветер, солнце, термояд


Работы по строительству стелларатора Wendelstein 7-X

Работы по строительству стелларатора Wendelstein 7-X

Запасы углеводородов истощаются, климат изменяется, а термоядерная энергия становится насущной необходимостью. Возможно, ждать осталось недолго – лет двадцать

В середине декабря в немецком городе Графсвайльд был запущен крупнейший в мире стелларатор Wendelstein 7-X. Один миллиграмм газообразного гелия был нагрет до температуры в миллион градусов Цельсия, полученную плазму удалось удержать в течение одной десятой секунды. За этим техническим описанием скрывается потенциально важная веха на пути к управляемому термоядерному синтезу, который за счет физического процесса, близкого к тому, что происходит в недрах звезд, даст человечеству чистую и доступную для всех термоядерную энергию, ведь в качестве топлива термоядерным реакторам будущего потребуется немногим больше, чем обычная вода.

Учитывая, что месторождения угля, нефти и газа стремительно истощаются и вряд ли смогут обеспечить энергией больше, чем несколько ближайших поколений, переход на альтернативные источники энергии может стать для человечества неизбежностью уже в ближайшие сто лет. И дело не только в исчерпаемости запасов: согласно подписанному 12 декабря в Париже климатическому соглашению, начиная с 2050 года антропогенные парниковые газы, в частности, выделяемые при сжигании топлива, должны полностью поглощаться углеродными стоками, например, новыми лесами. Для того чтобы удержать климатические изменения в приемлемых пределах, от углеводородного топлива придется отказаться очень скоро. Альтернативные источники энергии, такие как ветряные установки, солнечные батареи или геотермальных станции, по разным причинам не могут полностью покрыть энергетические запросы человечества. Ядерная энергетика сопряжена с опасностью катастроф, а особенно страхом перед ними, и проблемой хранения отходов. По большому счету, термоядерная энергия – единственный выход.

Идея использовать синтез более тяжелых атомных ядер из более легких в мирных целях появилась в начале 1950-х, одновременно с первыми испытаниями термоядерного оружия. Но укротить грандиозную энергию в рамках управляемой реакции оказалось не в пример сложнее, чем использовать ее для разрушительного оружия, и термоядерный реактор, который выделял бы больше энергии, чем потребляет, не создан до сих пор. Главная проблема в том, что, чтобы атомные ядра в веществе начали сливаться, его нужно нагреть до температуры в десятки миллионов градусов Цельсия и удерживать в таком состоянии длительное время. Ни один материал не выдержит соприкосновения с разогретой до температуры поверхности Солнца плазмой, поэтому приходится исхитряться, например, подвешивать ее в электромагнитном поле внутри напоминающей бублик, тороидальной полости.

Первая плазма на стеллараторе Wendelstein 7-X

Первая плазма на стеллараторе Wendelstein 7-X

Этот метод определил наиболее перспективные технологии термоядерных установок – это токамаки (от "тороидальная камера с магнитными катушками") и стеллараторы (от латинского stella – звезда). Разница между ними состоит в том, что удерживающее магнитное поле токамаков создается внешними магнитами и током, протекающим внутри бублика, тогда как в стеллараторах плазма удерживается только внешним магнитным полем. Второй подход потенциально позволяет удерживать плазму намного дольше, но имеет и ряд серьезных недостатков. В частности, конфигурация магнитного поля в стеллараторах настолько сложна, что спроектировать эффективные установки удалось только недавно, после появления суперкомпьютеров, а технологии токамаков за это время ушли далеко вперед. Пришедшие из Графсвайльда новости могут означать, что тренд меняется и стеллараторы наконец смогут стать полноценными конкурентами токамакам.

И все же самый многообещающий на сегодня проект – международная коллаборация ITER по строительству экспериментального термоядерного реактора на юге Франции – основан именно на токамаке. Радио Свобода поговорило с руководителем российского агентства проекта ITER Анатолием Красильниковым и расспросило его, когда будет получена первая термоядерная энергия, почему это не получалось до сих пор, как изменит правила игры запуск немецкого стелларатора и что происходит с международным сотрудничеством на фоне санкций.

– Запуск нового немецкого стелларатора напомнил всем о термоядерной энергии. В каком состоянии сейчас находится проект ITER, есть ли другие перспективные проекты?

– Давайте я напомню, что такое проект ITER. В нем участвуют 34 государства – в этих странах живет более половины человечества и создается более 80% валового продукта планеты, это элитный клуб, собравшийся, чтобы создать технологическую платформу будущей термоядерной энергетики. Задача – провести первый реальный термоядерный эксперимент, в котором термоядерной мощности в плазме выделится в 10 раз больше, чем энергетические затраты на создание этой плазмы, понятно, что в свете энергетики будущего необходимо, чтобы реактор выдавал больше, чем потребляет. Эти условия будут реализованы впервые, пока ни в одном эксперименте термоядерная мощность не была больше мощности нагрева. Самый большой успех до сегодняшнего дня – это токамак JET в Англии. Там термоядерная мощность составила 67% от всей мощности нагрева. Второй в этом рейтинге – Tokamak Fusion Test Reactor в Принстоне, Нью-Джерси, на котором в середине 90-х добились примерно 25% отношения термоядерной мощности к мощности нагрева, но в 1997 году эксперимент свернули. Наконец, в Японии был токамак JT-60 Upgrade. На нем работали только с дейтерием, без трития, а когда вы работаете на дейтериевой смеси, термоядерная мощность примерно в сто раз меньше, чем если бы вы в ту же плазму со всеми теми же параметрами напустили тритий. Так вот, японцы получили такой разряд на дейтерии, что если его пересчитать как если бы они и тритий использовали, с умножением на 100, у них термоядерная мощность равнялась бы мощности нагрева. Вот все лучшие на сегодняшний день результаты – 25% в США, 67% в Англии, 100%, но пересчетных, в Японии. А план у ITER – 1000%.

– То есть 34 страны объединили усилия, вложили миллиарды долларов, чтобы впервые добиться этого 10-кратного увеличения?

Строительная площадка проекта ITER

Строительная площадка проекта ITER

– Для того чтобы продемонстрировать такой реакторный режим, добиться его устойчивости, мы должны решить очень много сложнейших технологических задач. Представьте, внутри вакуумной камеры будет плазма с температурой в 10 и более раз выше, чем на Солнце, и мы должны удержать ее магнитным полем и материалом первой стенки. Такую стенку надо сконструировать и испытать – в этом огромная ценность проекта. Повторюсь, ITER – технологическая платформа, здесь будут созданы и впервые опробованы в реакторных условиях решения, которые потом будут применяться на термоядерных электростанциях. Это технологии первой стенки, технологии сверхпроводимости для удерживающей плазму электромагнитной системы, это методы нагрева плазмы. И каждый из участников проекта, каждая нация, принесла сюда то, что умеет делать лучше других. ITER сейчас перешел в стадию уже сооружения, в последний год, после назначения нового генерального директора работы ускорились, и вот мы, Российская Федерация, буквально на днях закончили поставку первого элемента, за который мы отвечаем, это сверхпроводник Nb3Sn для проводников тороидального поля. И многие другие участники заканчивают свои обязательства по сверхпроводимости, по времени эта задача раньше шла, потому что, чтобы магнит изготовить, надо сначала сверхпроводники сделать. Потом будут следующие этапы, например, мы уже начали делать катушку полоидального поля PF-1. И в каждом случае каждому из партнеров приходится идти по целине, делать то, чего раньше никто не умел делать. Это беспрецедентный и по технологическому уровню, и по уровню международной кооперации проект, который даже сложно с чем-то сравнить.

– С Большим адронным коллайдером можно сравнить?

ITER, конечно, намного более сложная проблема, чем коллайдер

– Можно, но коллайдер – это всего лишь вакуумная установка, в которой ускоряется пучок протонов, это задача более простого уровня. ITER – это физика плазмы, а плазма – это столько степеней свободы, столько неустойчивостей, со всеми ними надо справиться. С точки зрения большого количества параметров, которые надо одновременно учитывать, ITER, конечно, намного более сложная проблема, чем коллайдер. Ну и ITER подороже, как я понимаю.

– Правильно ли я понимаю, что с точки зрения фундаментальной науки никаких препятствий к построению реактора ITER не осталось, теперь дело только за решением инженерных задач?

– Да, фундаментально проект хорошо просчитан. Сейчас ведь можно смоделировать токамак на суперкомпьютере, предсказать, как будет работать новая установка, с учетом масштаба, с учетом того, как уже работают другие токамаки, а их в мире на сегодняшний день более трехсот. Так что в этом смысле мы неожиданностей не ждем. Но инженерные вопросы конечно есть. Какая будет конкретная сварка стоять, какая пайка. Машина-то сложная, в ней очень много воды, и не дай бог какая-то течь будет. Система управления опять же. Это все как будто не принципиальные вопросы, но нужно чтобы все сработало одновременно и без отказа. Есть еще один важный аспект, в партнерах проекта – сильно разные цивилизации, там Индия, Китай, Япония, Корея, Россия, Европа, Америка. Ментальность разная, разные механизмы и скорости принятия решений. Вот почему у нас сооружение идет медленнее, чем ожидалось? Потому что есть проблема мультикультурализма, которую мы тоже учимся решать.

– Похоже на миф о Вавилонской башне.

– Не знаю, стоит ли сравнивать, но, думаю, ITER намного сложнее Вавилонской башни.

– Вы сказали, что проблемы остались только инженерные. Но почему тогда за более чем полвека никому так и не удалось добиться более чем 100-процентного выхода энергии? Ведь попыток было очень много.

Схема устройства будущего реактора ITER

Схема устройства будущего реактора ITER

– Для начала, есть вопрос размера. У самой крупной из предыдущих машин, JET, большой радиус тороидальной камеры 3 метра, малый радиус – 1 метр. А у ITER большой радиус будет 6 метров, малый радиус 2 метра. А время удержания энергии очень сильно зависит от геометрических параметров. Человечество шло от очень маленьких машин к средним, потом от средних к установкам более крупного размера, и все время мы убеждались, что работают законы подобия, что размер имеет значение. А на достаточно большой размер, если хотите, просто денег не хватало, потому что ни одна страна в одиночку машину такого масштаба, как ITER, не стала бы строить. Я думаю, что американцы теоретически смогли бы, и европейцы, если бы объединились, но все-таки это существенная часть научно-технического бюджета и Соединенных Штатов, и Европы. На такую машину без опыта предыдущих поколений более маленьких размеров шагнуть было бы рискованно. А когда сотни токамаков заработали, когда законы подобия, предсказывающие, как будет работать установка большего размера, сформировались, можно было выбрать параметры для ITER. И стало понятно, что машина, чтобы достигнуть десятикратного коэффициента приумножения энергии, должна быть в два раза больше JET по линейным размерам. А потом оценили, сколько это будет стоить.

– И ужаснулись.

– На самом деле проект ITER начинали еще в середине 80-х четыре партнера: Советский Союз, Европа, Соединенные Штаты и Япония. Длительное время мы создавали эскизные и технические проекты вчетвером. А уже на этапе перед самым строительством присоединились Китай, Индия и Южная Корея. А почему они присоединились? Да потому что партнеры понимают, что проект очень дорогой, и любой новый участник – возможность разделить расходы. Поэтому и сейчас ITER открыт для всех партнеров, и периодически возникает вопрос: а не вступит ли кто-то еще, даже уже сейчас, на этапе строительства? То Бразилия хочет обсудить вступление, то Турция, то Австралия, то Канада хотела, потом передумала, Казахстан собирался участвовать. Конечно, сейчас речь уже идет о вступлении с финансовыми взносами, потому что технологически все поделено.

– Вы сказали, что строительство задерживается. Какие сейчас называются сроки запуска реактора?

Первая плазма будет в 2025 году

Сейчас как раз официально принят план-график сооружения установки на 16-й и 17-й годы, он как закон действует для всех участников. А план-график, как мы говорим, до первой плазмы, совет ITER примет в июне следующего года. Но по предварительной информации примерно получается, что первая плазма будет в 2025 году.

– А когда мы увидим термоядерную энергию, десятикратно превосходящую затраты?

Строительная площадка ITER в 2015 году

Строительная площадка ITER в 2015 году

– По нынешним планам, примерно в 2031-м. Первая плазма сначала на водороде будет работать, потом на гелии, потом дейтерий запустим в машину, а для того, чтобы десятикратное увеличение получить, надо уже и тритий пустить. А тритий пускать имеет смысл тогда, когда у вас отлажены все режимы, все синхронно работает, вы удовлетворены всеми компонентами технологической установки. Потому что, как только вы пустите тритий, у вас сразу машина активируется, и после этого внутри только робот сможет работать. После того как начнем работать с тритием, скорректировать что-то в каких-то технологических узлах будет намного сложнее и дороже. Поэтому после первой плазмы в 2025 году шесть лет уйдет на отладку, и только после этого запустим тритий и получим 1000 процентов энергии.

– ITER – самый крупный, но не единственный перспективный проект термоядерного реактора. Например, около двух лет назад компания Lockheed Martin заявила, что они готовы сделать работающий компактный реактор чуть ли не за пять лет. Как вы относитесь к таким заявлениям?

У вас между 4 Кельвинами и 300 миллионами градусов – полметра

– Понимаете, то, что термояд интересен широкой публике, это замечательно. Некоторые на этом интересе делают деньги – они молодцы, они пропиарились, наверное, получили какие-то инвестиции. Но все-таки дело-то серьезное, задача очень сложная, и надо идти от успеха к успеху, здесь не может быть такого прорыва, что вот я взял и усилием воли с уровня 1 прыгнул на уровень 100. Так не бывает – идет отработка технологий, очень нудная, тяжелая, потому что управлять плазмой... вы просто задумайтесь: температура плазмы в ITER – 300 миллионов градусов. А в полуметре, за первой стенкой, на которую смотрит вот эта плазма температурой в 300 миллионов градусов, находится сверхпроводник, температура которого – 4 Кельвина, это примерно минус 270 градусов Цельсия. И у вас между 4 Кельвинами и 300 миллионами градусов – полметра. И нужна инженерная система, которая все это обеспечит, причем не на одну наносекунду, как при взрыве термоядерной бомбы или при лазерном термоядерном синтезе. В ITER время разряда будет 3600 секунд. Была такая шутка, что если вы умеете ехать на велосипеде 1 секунду, это не значит, что вы умеете кататься. Возвращаясь к Lockheed Martin, это...

– Торговля ожиданиями?

– Ну да, и, наверное, успешная.

– Ну, то, что там ничего серьезного не было, многие понимали сразу. А что скажете о запуске в Германии стелларатора? Ведь стеллараторы – конкуренты технологии токамаков, которая используется в ITER?

Стелларатор изнутри. Снимок автоматической камеры

Стелларатор изнутри. Снимок автоматической камеры

– Нет, я бы не сказал, что это конкуренты. И та, и другая – тороидальные системы, и там, и там плазма завернута в бублик. Принципиальное отличие – что в токамаке для того, чтобы удерживать плазму, абсолютно необходимо по этому бублику пропускать ток. И вот поддержание этого тока обеспечивает специальная система, это можно делать 1 секунду, можно 10 секунд, вот в ITER будет 3600 секунд. Но будущий термоядерный реактор должен работать постоянно, вы кнопку нажали – он включился и выдает энергию, уже не 3600 секунд, а годами. Проблема поддержания тока в токамаке существенна, это его значительный минус по отношению к стелларатору. Механизмы, как это сделать, просматриваются, но до конца вопрос не решен. А в стеллараторе этой проблемы нет вообще, там ток не нужен, там магнитные катушки устроены так хитро, что они создают вот эти навивающиеся линии магнитного поля для удержания плазмы сами. С другой стороны, у стеллараторов свои сложности. Когда вы производите термоядерную энергию, в качестве продуктов получаются альфа-частицы с высокими энергиями, их очень тяжело удерживать. Токамаки так устроены, что в них это делать проще, чем в стеллараторах. Одна из главных изюминок вот этого нового стелларатора Wendelstein 7-Х – как раз в том, что он оптимизирован под удержание альфа-частиц. И научное сообщество очень ждет первых результатов именно по этому поводу. Пока что они только получили первую плазму, это уже большой успех, но очень важно, покажет ли он, что магнитная конфигурация продумана так хорошо, что поперечный перенос альфа-частиц существенно подавлен. Токамак в этом плане много уже прошел, я бы сказал, он сейчас в 10 или более раз по этому параметру лучше. Конечно, это не значит, что так вечно будет. Если Wendelstein 7-Х продемонстрирует успех, у концепций стелларатора и токамака будет гонка на равных идти.

– Но не получится так, что придется ITER срочно перестраивать под стеллараторную модель?

Анатолий Красильников

Анатолий Красильников

– Понимаете, в этой области везде работают одни и те же люди. Я, например, поработал на всех крупнейших установках в мире: год в Штатах на Tokamak Fusion Test Reactor и DIII-D, полгода в Англии на JET и на JT-60U под Нагоей в Японии тоже. Везде одни и те же физики, одни и те же методы, общее коммьюнити. Конечно, есть самые отпетые, которые говорят: я только токамак вижу и ничего другого не вижу, или я только стелларатор вижу, а токамак не вижу. Знаете, во всяком распределении людей есть хвосты, а значит, есть хвостовые представители. Но большинство понимают, что просто есть разные конструкции с разными преимуществами. И неизвестно, какая пойдет вперед – может быть, вообще лазерный термоядерный синтез прорвется в ближайшие 15–20 лет, придумают технологию, как вот эти таблетки, которые там сжимают лазерными импульсами, сжимать в пулеметном режиме и непрерывно выдавать термоядерную энергию. А может быть, будет прорыв в импульсном магнитном термоядерном синтезе. Должны цвести все цветы, было бы глупо все яйца в одну корзину складывать. Надо поддерживать и продвигать все концепции, которые не очевидно бредовые, как у Lockheed Martin, и в конце концов какая-то из них приведет к тому, что появится термоядерный реактор. Мое мнение: на сегодняшний день токамак – самая продвинутая и самая близкая к реактору концепция. Но завтра прорыв может произойти в другом направлении.

– Совсем недавно в Париже были приняты новые климатические соглашения, согласно которым со второй половины века человечество должно начать отказываться от углеводородной энергетики. На программу будет выделяться большое финансирование. Как это отразится на исследованиях управляемого синтеза?

– Разумеется, ITER – это та самая альтернативная энергетика, она не дает выбросов CO2 и не приводит к парниковому эффекту. Мы соответствуем духу климатического форума и его задачам. Что касается финансирования, конечно, деньги нам нужны. Любое продление графика – это увеличение стоимости. В одной только России более ста предприятий участвуют в работах по проекту ITER, это не один-два института, это очень большая кооперация. Удорожание неизбежно, когда рисовали бумаги и на основании проектных проработок оценивали сроки, то была одна ситуация, когда столкнулись с промышленностью, начали изготавливать компоненты, выяснилось, что требуется макетирование, прототипирование, испытания. Кроме того, ITER – это ядерный объект на территории Франции, а это значит, что есть французское ядерное законодательство, европейское ядерное законодательство, европейский ядерный контроль. А это касается всего, вплоть до выплавки стали. Когда считали в начале пути все затраты, очень много чего не досчитались. Думали как: пошли в интернет, по аналогам посмотрели коммерческую стоимость каких-то компонентов – ну, вот примерно столько у нас будет стоить. А сейчас выяснилось... Вот я только что, перед тем как с вами начать разговор, обсуждал, как у нас будут болты изготавливаться, какие покрытия будут на резьбе, чтобы этот болт в вакууме и нейтронных и гамма-потоках забалчивался и разбалчивался несколько раз.

– Так что, вы надеетесь на новое финансирование по климатической программе?

Альтернативные источники – это что у нас: ветер, солнце, термояд

– Ну, в принципе, да, потому что, если мы говорим про альтернативные источники, это что у нас: ветер, солнце, термояд. И термоядерные станции почти не имеют ограничений по мощности, не зависят от площадей, как ветровая энергетика, не зависят от времени суток и погоды, как солнечная.

– Нынешняя непростая политическая обстановка, санкции – все это как-то сказывается на участии России в проекте ITER?

– Понимаете, проект разрабатывается уже 30 лет, да? А санкциям этим сколько лет? Полтора года? Это эпизод жизни проекта ITER, он сейчас возник – завтра пропадет, а ITER будет строиться. И в рамках ITER такие фундаментальные вопросы решаются, что какие-то даже очень сильные политические всплески все-таки разумными людьми отфильтровываются. Это философский ответ на этот вопрос, а практичный – ну, все-таки во Франции строится реактор: кто против кого санкции будет применять?

– Ну, например, скорее всего, наши предприятия используют какие-то материалы, которые поставляются из-за рубежа.

Понимаете, когда начнешь конкретно применять санкции, то выяснится, что ты стреляешь себе даже не в ногу, а в голову

– Например, французские, да? И Франция применит санкции и не даст нашим предприятиям изготовить для французского реактора какие-то компоненты, да? Понимаете, когда начнешь конкретно применять санкции, то выяснится, что ты стреляешь себе даже не в ногу, а в голову.

– Не все страны эти соображения останавливают.

– Я специально обсуждал эти вопросы с Бернаром Биго, который сейчас является генеральным директором ITER, с главой представительства ЕС. Есть договоренности, что, как только у нас появляется первый пример того, что санкции мешают нам делать дело, мы подключаем на уровне посольства Евросоюза и администрации президента Франции силы, которые этот вопрос будут решать в исключительном порядке. Но пока таких случаев не было, пока все понимают, что ITER – это не предмет санкций, потому что это дело не сиюминутное и куда более важное.

Уважаемые посетители форума РС, пожалуйста, используйте свой аккаунт в Facebook для участия в дискуссии. Комментарии премодерируются, их появление на сайте может занять некоторое время.

XS
SM
MD
LG