Судьба термоядерного синтеза

Идея создания термоядерного реактора зародилась в 1950-х годах. Тогда от нее было решено отказаться, поскольку ученые были не в состоянии решить множество технических проблем. Прошло несколько десятилетий прежде, чем ученым удалось «заставить» реактор произвести хоть сколько-нибудь термоядерной энергии.

 Решение о проектировании Международного термоядерного реактора (ИТЭР) было принято в Женеве в 1985 году. В проекте участвовали СССР, Япония, США, объединенная Европа и Канада. После 1991 года к участникам присоединился Казахстан. За 10 лет многие элементы будущего реактора удалось изготовить на военно-промышленных предприятиях развитых стран. Например, в Японии разработали уникальную систему роботов, способных работать внутри реактора. В России создали виртуальный вариант установки.

В 1998 году США прекратили финансирование своего участия в проекте. После того, как к власти в стране пришли республиканцы, а в Калифорнии начались веерные отключения электроэнергии, администрация Буша объявила об увеличении вложений в энергетику. Участвовать в международном проекте США не намеревались и занимались собственным термоядерным проектом. В начале 2002 года советник президента Буша по технологиям Джон Марбургер III заявил, что США передумали и намерены вернуться в проект.

Проект по числу участников сравним с другим крупнейшим международным научным проектом – Международной космической станции. Стоимость ИТЭР, прежде достигавшая 8 миллиардов долларов, потом составила менее 4 миллиардов. В результате выхода из числа участников Соединенных Штатов было решено уменьшить мощность реактора с 1,5 ГВт до 500 МВт. Соответственно «похудела» и цена проекта.

В июне 2002 года в российской столице прошел симпозиум «Дни ИТЭР в Москве». На нем обсуждались теоретические, практические и организационные проблемы возрождения проекта, удача которого способна изменить судьбу человечества и дать ему новый вид энергии, по эффективности и экономичности сравнимый только с энергией Солнца.

Если участники договорятся о месте строительства станции и о начале ее строительства, то, по прогнозу академика Велихова, к 2010 году будет получена первая плазма. Тогда можно будет приступать к строительству первой термоядерной электростанции, которая, при благоприятном стечении обстоятельств, может дать первый ток в 2030 году.

В декабре 2003 года ученые, участвующие в проекте ИТЭР, собрались в Вашингтоне, чтобы окончательно определить место его будущего строительства. Решение перенесено на 2004 год.  Реактор начнут создавать в 2006 году и планируют запустить в 2014.
 

С предложениями разместить реактор на своих территориях выступили Канада, Япония, Испания и Франция.

Канада обосновывала необходимость разместить реактор на своей территории тем, что именно в этой стране находятся значительные запасы трития, являющегося отходом атомной энергетики. Строительство термоядерного реактора позволит их утилизировать.

В Японии, по сообщениям агентства «Киодо цусин», три префектуры вели отчаянную борьбу за право строительства реактора у себя. В то же время жители северного острова Хоккайдо выступали против возведения его на их земле.

Европейский союз рекомендовал французский город Кадараш в качестве будущего места строительства. «У нас есть уже существующая научная и техническая структура, компетентность и опыт, что является гарантом выполнения намеченных сроков», – сказал министр исследований Франции.

Япония также имеет ряд преимуществ – Роккашо-мура находится рядом с портом и рядом с военной базой США. К тому же японцы готовы вложить в проект куда больше денег, чем Франция. «Если будет выбрана Япония, мы покроем все необходимые расходы», – заявил министр науки и образования Японии.

28 июня 2005 г. местом строительства ИТЕР был выбран город Кадараш во Франции.
 

Что такое ИТЭР?

Норберт Хольткамп - заместитель генерального директора проекта ИТЭР и руководитель строительства экспериментального реактора термоядерного синтеза.

Название проекта по-английски звучит как International Thermonuclear Experimental Reactor, сокращенно ITER, что одновременно является латинским словом iter и в переводе означает "путь". (ИТЭР - русская калька английского сокращения или латинского слова - примечание редактора). Это проект строительства крупнейшего в мире экспериментального термоядерного реактора. Гораздо более скромная версия подобного реактора уже существует - "Совместный европейский тор". Этот экспериментальный термоядерный реактор был введен в эксплуатацию в 1983 года неподалеку от Кулэма (Англия). ИТЭР - следующий шаг на пути к строительству термоядерных реакторов для выработки электроэнергии.

При делении энергия образуется в результате расщепления тяжелых атомных ядер. Расщепление - это процесс, который происходит под контролем в ядерном реакторе и без контроля - в ядерной бомбе. При термоядерном синтезе два легких атомных ядра "сплавляются" друг с другом. В случае ИТЭР, по сути дела, речь идет о дух ядрах атома водорода. При этом высвобождается и получается энергия.

Почему для данного проекта термоядерный синтез лучше, чем ядерное деление?

В мире существует множество действующих реакторов ядерного деления, которые уже сейчас используются для производства энергии, поэтому главным преимуществом деления является отлаженность данной технологии. Термоядерный синтез пока не используется на практике, это научно-исследовательский проект. Как деление, так и синтез являются ядерными процессами, но они существенно различаются. Преимущество синтеза состоит в том, что один продукт реакции, продукт отхода, - гелий - нерадиоактивен, а другой - нейтрон - используется для получения водородного изотопа трития из литийсодержащих материалов в среде плазмы (ионизированного газа). В ядерном реакторе при расщеплении этих ядер образуются две части, обе из которых являются радиоактивными. При термоядерном синтезе все совсем по-другому - камера, которая окружает ядра, становится мягко радиоактивной, а побочные продукты - нет.

Главным преимуществом термоядерного синтеза является то, что дейтерий и литий (который используется для получения трития), участвующие в процессе синтеза, доступны в огромных количествах - они в изобилии встречаются как на суше, так и в море. К ядерным реакторам это не относится: в них приходится использовать уран, поставки которого ограничены, или его аналоги. Однако было бы нечестным рекламировать термоядерный синтез как лучший процесс, потому что уже построенные термоядерные устройства имеют научно-исследовательское назначение и не являются реакторами в полном смысле этого слова - ученые еще только пытаются выяснить, как использовать термоядерный синтез для выработки энергии. Если проект ИТЭР будет успешным, то он станет первым термоядерным реактором, который будет производить значительно больше энергии, чем потреблять. Это крупный шаг вперед.

Как возникла идея строительства ИТЭР?

Эта идея возникла в процессе международного сотрудничества в области исследования термоядерного синтеза и была предложена советским президентом Михаилом Горбачевым на встрече с французским президентом Франсуа Миттераном и впоследствии - президентом США Рональдом Рейганом на Женевском саммите в 1985 году. Три президента собрались и решили сделать что-то в области энергоресурсов и посмотреть, какие другие источники энергии может предложить наука после того, как мы исчерпаем наши запасы угля и нефти. Термоядерный синтез традиционно является сугубо международной темой научных изысканий, и, конечно, на подобных саммитах энергетике уделяется много внимания. Энергетика является движущей силой экономики каждого государства. Это не было научной дискуссией; они просто собрались вместе и сказали: "Нам следует заняться этим. Мы должны объединить лучшие умы всего мира, вместе провести эти исследования и совместно использовать их результаты".

Какие научно-технические цели преследует ИТЭР, и что он продемонстрирует?

ИТЭР станет первым термоядерным реактором, который будет вырабатывать больше энергии, чем потреблять. Ученые измеряют эту характеристику с помощью простого коэффициента, который они называют "Q". Если ИТЭР позволит достичь всех поставленных научных целей, то он будет производить в 10 раз больше энергии, чем потреблять. Последнее из построенных устройств - "Совместный европейский тор" в Англии - является более мелким прототипом термоядерного реактора, который на окончательном этапе научных исследования достиг значения Q, равного почти 1. Это означает, что он вырабатывал ровно столько же энергии, сколько потреблял. ИТЭР позволит превзойти этот результат, продемонстрировав создание энергии в процессе термоядерного синтеза и достигнув значения Q, равного 10. Идея заключается в том, чтобы при объеме потребления энергии на уровне примерно 50 МВт вырабатывать 500 МВт. Таким образом, одной из научных целей ИТЭР является доказать, что может быть достигнуто значение Q, равное 10.

Другая научная цель заключается в том, что ИТЭР будет иметь весьма продолжительное время "горения" - импульс увеличенной длительности до одного часа. ИТЭР - это научно-исследовательский экспериментальный реактор, который не может производить энергию постоянно. Когда ИТЭР начнет работать, он будет включен в течение одного часа, после чего его необходимо будет отключить. Это важно потому, что до сих пор создаваемые нами типовые устройства были способны иметь время горения длиной в несколько секунд или даже десятых долей секунд - это максимум. "Совместный европейский тор" достиг своего значения Q, равного 1, при времени горения примерно две секунды при длине импульса 20 секунд. Но процесс, который длится несколько секунд, не является по-настоящему постоянным. По аналогии с запуском двигателя автомобиля: кратковременное включение двигателя с последующим выключением - это еще не настоящая эксплуатация автомобиля. Только когда вы проедете на вашем автомобиле в течение получаса, он выйдет на постоянный режим работы и продемонстрирует, что на таком автомобиле действительно можно ехать.

То есть, с технической и научной точек зрения, ИТЭР обеспечит значение Q, равное 10, и увеличенное время горения.
 

Что произойдет после завершения проекта ИТЭР?

Программа термоядерного синтеза носит поистине международный, широкий характер. Люди уже сейчас рассчитывают на успех ИТЭР и думают о следующем шаге - создании прототипа промышленного термоядерного реактора под названием ДЕМО. Чтобы построить его, необходимо, чтобы ИТЭР работал. Мы должны достичь наших научных целей, потому что это будет означать, что выдвигаемые нами идеи вполне осуществимы. Тем не менее, я согласен с тем, что всегда следует думать о том, что будет дальше. Кроме того, в процессе эксплуатации ИТЭР в течение 25-30 лет наши знания постепенно углубятся и расширятся, и мы сможем более точно наметить наш следующий шаг.

Утверждены бюджет и сроки строительства экспериментального термоядерного реактора

В июле 2010 года представители стран-участниц проекта международного термоядерного реактора ITER утвердили его бюджет и сроки строительства на внеочередной встрече, прошедшей во французском Кадараше. Отчет о встрече доступен здесь. 

На прошедшей внеочередной встрече участники проекта утвердили срок начала первых экспериментов с плазмой - 2019 год. Проведение полноценных опытов запланировано на март 2027 года, хотя руководство проекта попросило технических специалистов попытаться оптимизировать процесс и начать опыты в 2026 году. Участники встречи также определились с затратами на строительство реактора, однако суммы, которые планируется потратить на создание установки, не разглашаются. По информации, полученной редактором портала ScienceNOW из неназванного источника, к моменту начала экспериментов стоимость проекта ITER может составить 16 миллиардов евро.

Прошедшая в Кадараше встреча также стала первым официальным рабочим днем для нового директора проекта, японского физика Осаму Мотодзима (Osamu Motojima). До него проектом с 2005 года руководил японец Канаме Икеда (Kaname Ikeda), который пожелал оставить пост сразу после утверждения бюджета и сроков строительства.

Термоядерный реактор ITER является совместным проектом государств Евросоюза, Швейцарии, Японии, США, России, Южной Кореи, Китая и Индии. Идея создания ITER рассматривается с 80-х годов прошлого века, однако из-за финансовых и технических сложностей стоимость проекта все время растет, а дата начала строительства постоянно откладывается. В 2009 году специалисты рассчитывали, что работы по созданию реактора начнутся в 2010 году. Позже эту дату передвинули, а в качестве времени запуска реактора назывался сначала 2018, а потом 2019 год.

Реакции термоядерного синтеза - это реакции слияния ядер легких изотопов с образованием ядра более тяжелого, которые сопровождаются огромным выбросом энергии. В теории в термоядерных реакторах можно получать много энергии с низкими затратами, но на данный момент ученые тратят намного больше энергии и денег на запуск и поддержание реакции синтеза.

Принцип работы
 

Термоядерный синтез – это дешевый и экологически безопасный способ добычи энергии. На Солнце уже миллиарды лет происходит неуправляемый термоядерный синтез – из тяжелого изотопа водорода дейтерия образуется гелий. При этом выделяется колоссальное количество энергии. Однако на Земле люди пока не научились управлять подобными реакциями.

В качестве топлива в реакторе ИТЭР будут использоваться изотопы водорода. В ходе термоядерной реакции энергия выделяется при соединении легких атомов в более тяжелые. Чтобы добиться этого, необходимо разогреть газ до температуры свыше 100 миллионов градусов – намного выше температуры в центре Солнца. Газ при такой температуре превращается в плазму. Атомы изотопов водорода при этом сливаются, превращаясь в атомы гелия с выделением большого количества нейтронов. Электростанция, работающая на этом принципе, будет использовать энергию нейтронов, замедляемых слоем плотного вещества (лития).

Схема токамак-реактора ITER. Высота более 25 метров, вес - 45 000 тон, внутренний объем - 2000 м3. На разрезе видна тороидальная камера, в кото-рой будет происходить термоядерная реакция. Представление о размерах данной конструкции да-ет фигура человека, находящаяся в низу картинки. Все эти тысячи тонн будут радиоактивны.

 В заключение

Что хотелось бы добавить от себя? У проекта ITER, да и вообще у темы ядерного синтеза очень много как сторонников, так и скептиков. Аргументы, как той, так и другой стороны аргументированы и убедительны. Да, проект ядерного синтеза развивается по вероятностной схеме, а не точному маршруту и многие будут утверждать, что деньги бросаются в топку авантюры, так как финансирование всегда предполагает конкретную цель и время.

Применение в физике микромира вероятностных методов - мера вынужденная, поскольку пока других способов описать динамику элементарных частиц в этом мире нет. Но наука движется вперед и постепенно преодолевает барьеры невозможного и непонятного. Так было всегда и мы в этом не первые.

Хочу только сказать, что поставленная проблема и поставленная цель - уже очень много. Результат обязательно будет и будет множество результатов побочных и неожиданных, которые в корне перевернут текущее научное мировоззрение и мы на пороге этого.

Только дожить бы