Путь к энергии

О том, что грядущая энергетика будет термоядерной, в последние лет шестьдесят не писал только ленивый. Однако нехитрая на бумаге реакция по-прежнему далека от промышленного освоения. Построенные до этого дня установки дали возможность физикам узнать многое о раскаленной плазме и процессах в ней, но пока не позволили воспроизвести звездные реалии на Земле. И это неудивительно, поскольку действующая техника, по сути, представляет собой лабораторные образцы — ее задача, грубо говоря, заключается в том, чтобы посмотреть, до какой отметки мы сможем нагреть плазму и что с ней при этом произойдет.

ИТЭР строится для экспериментальной проверки пригодности существующих на сегодня технологий для промышленного термоядерного синтеза. Выражаясь проще, его задача в том, чтобы нагреть плазму до нужной температуры, провести термоядерную реакцию и убедиться, что при этом получено энергии больше, чем потрачено, причем настолько, насколько планировали. Это коротко пишется, но на самом деле речь идет об исследовательской программе длиною в годы.

Чтобы рассказать о новой установке, нам потребуется начать издалека. Всякая энергетика начинается с горючего, термоядерная — не исключение.

Горючее

Физики знают много термоядерных реакций, но ключевое значение для нас сейчас имеет одна: слияние ядер дейтерия и трития с образованием альфа-частицы (т. е. ядра гелия) и нейтрона. Энергетический выход реакции распределяется между ее продуктами как их кинетическая энергия. Нейтрон покидает «сцену» и по пути взаимодействует с веществом, из которого состоят стенки камеры, разогревая его. Потом избыточное тепло снимается со стенок теплоносителем и отправляется для дальнейшего использования. Точнее, будет отправляться — работающих термоядерных АЭС пока нет.

Дейтерий и тритий — изотопы водорода, отличающиеся количеством нейтронов: один и два соответственно. Первый из них стабилен и встречается в природе в относительном изобилии. Технология его добычи отлажена с 40-х годов, годовой объем исчисляется тысячами тонн, никаких затруднений с ним не предвидится.

Тритий радиоактивен. Период его полураспада составляет всего-навсего дюжину лет. Это означает, что в природе этот изотоп практически не встречается. Исследователи научились производить его искусственно — из лития, бомбардируемого нейтронами, получая по одному атому трития и гелия из каждого атома лития. Промышленное производство по этой схеме приносит в масштабах всей Земли несколько килограммов трития в год. Как ни удивительно, но это очень небольшое количество имеет массу применений, включая неожиданные. Так, например, тритий применяется в часовой промышленности для раскраски стрелок и циферблатов — покрывающий его на метках люминофор светится в темноте, улавливая образующиеся при распаде электроны.

Такие разные бублики

Чтобы осуществить реакцию слияния двух атомных ядер, их нужно сблизить на расстояние, при котором внутриатомные силы (сильное взаимодействие) окажутся существенно сильнее кулоновского отталкивания. Единственный реализуемый на данном этапе развития человечества способ это сделать — разогнать частицы посильнее, то есть, выражаясь проще, нагреть. Нагретые газы быстро ионизуются: температура становится слишком большой, чтобы атомное ядро могло удержать свои электроны, и те отправляются в самостоятельное путешествие. Образуется плазма, в составе которой нас дальше интересуют только атомные ядра. Ее температура в современных установках достигает десятков миллионов K, плазма ИТЭРа будет разогрета до 150 миллионов K. Это в 10 раз выше температуры Солнца, ядро которого, по современным представлениям, нагрето «всего» до 13–16 миллионов K. В недрах звезд на протекание реакции влияют гравитация и вызванное ею давление. В земных условиях тем и другим можно пренебречь, соответственно, «запас» не будет лишним.

Зато любые манипуляции с объектом, имеющим такую температуру, на Земле немедленно упираются в проблему его удержания в замкнутом объеме. Никакое вещество, конечно, миллионов K не выдержит, поэтому главная «стенка», отделяющая плазму от окружающего мира, состоит не из него. Эту роль в термоядерном реакторе играет сильное магнитное поле.

Вообще, существует несколько концепций проведения термоядерной реакции и получения энергии, но вариантов установок, которые, скорее всего, могут быть доведены до работоспособного состояния за разумное время, всего два: стелларатор и токамак. В обоих случаях магнитное поле играет ключевую роль, но его конфигурация и способы создания различны. В случае стелларатора поле полностью создается внешними электромагнитами. Когда-то давно их система была относительно простой и результат ее применения напоминал бублик, только очень горячий. Современные компьютеры позволяют рассчитывать весьма замысловатые конфигурации и за счет этого оптимизировать систему, поэтому разглядеть в изгибах установок черты тора довольно сложно, хотя он там по-прежнему есть.

Логично спросить, почему рабочая камера не сферическая, ведь так вроде бы проще. Дело в том, что заключенное в сферу поле (и магнитное тоже) хотя бы в одной точке обязательно окажется направлено перпендикулярно ее поверхности. Как шутят математики, свернувшегося ежа невозможно гладко причесать — хотя бы одна иголка всегда будет стоять дыбом. Тороидальная поверхность от такой неприятности избавлена.

Токамак устроен иначе. Объем плазмы в нем тоже имеет форму тора, но помимо основной функции — быть вместилищем термоядерной реакции, — плазма исполняет также роль проводника. В середину «бублика» ставят индуктор, или центральный соленоид, «обмоткой» которого и служит плазма в камере. Через «бублик» пропускают индуцирующий ток, который, изменяясь, возбуждает электродвижущую силу в плазме, совсем как на обмотке трансформатора.

Возбужденный в плазме ток играет немаловажную роль в ее разогреве, но, главное, он генерирует основную часть полоидального магнитного поля. На долю полоидальных обмоток остается лишь внесение относительно небольшого «довеска», имеющего регулирующее значение. Без этого плазменный жгут оказывается нестабильным.

Суммарно магнитное поле токамака состоит таким образом из трех составляющих:

– тороидальной, возбуждаемой катушками;

– полоидальной, возбуждаемой током в плазме;

– полоидальной, возбуждаемой дополнительными катушками.

В результате их сложения плазма оказывается заключенной в ограниченном объеме в форме кольцеобразного жгута относительно небольшой толщины — несколько десятков сантиметров.

Принципиально важно то, что ток в плазме создается за счет изменения параметров индуцирующего тока, которое не может быть бесконечным. Поэтому токамак — машина временного действия. Сейчас максимальное время жизни плазмы на действующих токамаках составляет порядка десятков секунд. Стеллараторный рекорд — 54 минуты. Тем не менее, по совокупности технических параметров, токамак считается более готовым к штурму будущих энергетических высот.

Своим названием установка обязана конструкции, токамак — это тороидальная камера с магнитными катушками. Принцип предложили в СССР в 1951 году Андрей Сахаров и Игорь Тамм, а реализовали в виде работающей установки несколькими годами позже. Примерно тогда же появилось и название. Можно думать, что, случись авторам идеи в тот момент знать об американских разработках по первому стелларатору (запущен в 1951 году), в котором роль магнитных катушек была еще бóльшей, и название было бы выбрано какое-то другое. Но в начале пятидесятых термоядерная энергетика еще воспринималась как пространство гонки великих держав и все разработки по ней были засекречены.

Первый в своем роде

Реактор ИТЭР — токамак, но не простой, а самый большой. Достаточно сказать, что объем плазмы в нем составляет 840 м³. У наиболее совершенного на данный момент токамака, английского JET, этот показатель почти в восемь с половиной раз меньше — ровно 100 м³.

Слово ITER (ИТЭР) изначально было сокращением от International Thermonuclear Experimental Reactor; в настоящее время название связывается с латинским словом iter — «путь».

Сердце установки — вакуумная рабочая камера. У ИТЭРа она будет сделана двустенной. Между наружной и внутренней стенками будет циркулировать теплоноситель (дистиллированная вода), отводящий лишнее тепло. Внутренняя стенка изнутри будет облицована защитным покрытием (бланкетом) из бериллия, выдерживающим мощное нейтронное излучение. Кроме того, бериллий вообще химически малоактивен.

Несколько секций бланкета имеют особую усложненную конструкцию — с внутренними полостями, системами забора продуктов реакции и т. п. Их используют для получения трития из соединений лития. Вы еще не забыли, что наш реактор излучает нейтроны? Именно они и потребуются для производства трития, а тритий нужен для термоядерной реакции. Следует заметить, что топливного самообеспечения не получится даже в самом благоприятном случае: одно ядро трития, соединяясь с дейтерием, даст нам всего один нейтрон, а тот, присоединяясь к литию, — всего один атом трития. Добавим к этому, что нейтроны надо «поймать», — и вероятность успеха в любом случае будет отличаться от 100%.

Тем не менее, ученые настроены провести соответствующие эксперименты. На данный момент на победу претендуют аж шесть технологий, для каждой из который нужно свое оборудование. Оно заказано и скоро будет изготовлено и смонтировано.

Бериллий, упоминавшийся выше, при контакте с плазмой (какие-то ее количества неизбежно долетают до стенок) испаряется, порождая микрочастицы. Они токсичны, но в нашем случае гораздо важнее то, что, попав в плазму, увеличивают ее светимость, расходуя драгоценную кинетическую энергию (то есть температуру) на бесполезные внешние эффекты. Для противодействия этому физиками придуман дивертор — своего рода «карман», образуемый магнитным полем и рабочей камерой токамака внизу системы и служащий для аккуратного сбора мусора: обогащенная им часть плазмы попадает в ловушку, охлаждается, превращаясь в обычную газовую смесь, и выводится из зоны реакции. Надо заметить, что дивертор не изобретен специально для ИТЭРа, ему под сорок лет.

Корпус секции дивертора весит 4 тонны. Всего в установке их будет 54 штуки, но изготавливаются 60, чтобы иметь запас, требуемый для бесперебойной работы. Проект ИТЭР предусматривает даже возможность замены секций в «безлюдном» режиме специальным манипулятором.

Сходные решения предусмотрены и для других узлов установки, непосредственно соприкасающихся с плазмой и, соответственно, радиоактивных. Специалисты насчитывают семь роботизированных систем, которые будут задействованы в текущем обслуживании сооружения и замене его модулей.

Кстати, о величине. В увеличенном токамаке любая погрешность в расположении обмоток означает крайне неприятные отклонения магнитного поля от проектной конфигурации. А эти погрешности в реальной жизни неизбежны. Для их исправления в конструкцию установки введены корректирующие катушки. Как пишут участники проекта, поскольку магнитное поле этих катушек невелико, то и они сами не впечатляют размерами: всего-навсего 8,3 метра в диаметре при массе 4,5 тонны.

То ли дело полоидальные обмотки! Их придется наматывать непосредственно на месте — ни на каком транспорте перевезти их невозможно. Всего в создании магнитного поля задействуют примерно 100 тыс. км проводов из сплавов ниобия с титаном и оловом. Эти материалы выбрали из-за способности сохранять сверхпроводимость в сильном магнитном поле. Разумеется, их для этого надо охлаждать — до 4 К (–269 градусов Цельсия). Поэтому в сообщениях об испытании очередных агрегатов ИТЭР часто встречаются фразы о поиске протечек жидкого гелия.

На данный момент в проекте участвуют Евросоюз, Индия, Китай, Республика Корея, Россия, США, Япония. Получение первой плазмы намечено на 2025 год, переход к осуществлению термоядерной реакции слияния дейтерия с тритием — на 2035 год. Предполагается, что первый полноценный (то есть вырабатывающий электрический ток) термоядерный реактор к тому времени будет, по крайней мере, спроектирован.

Зачем это все?

Критерием успешности для термоядерного реактора является энергетическая рентабельность — отношение полученной энергии к потраченной на осуществление реакции, включая разогрев плазмы и ее удержание в магнитной ловушке. Наиболее продвинутые из ныне действующих токамаков добиваются соотношений порядка 1.05, да и это происходит не каждый день. Разумеется, при реальной эксплуатации соотношение окажется хуже. До экономической эффективности тут довольно далеко.

ИТЭР рассчитан на то, чтобы энерговыделение при реакции превысило затраты на ее осуществление в десять раз. При проектной тепловой мощности 500 МВт реактор будет «кушать» полсотни. Достигнув этой цели, можно будет не торопясь испытать установку и ее отдельные узлы.

Как изящно выразился некоторое время назад генеральный директор международной организации ИТЭР Бертран Биго, строящийся реактор, в силу своего международного характера, до некоторой степени похож на МКС. Но если с МКС что-то пойдет не так, то на перспективах человечества это никак не отразится. А вот если не получится построить ИТЭР, то человечеству придется в недалеком будущем решать проблему энергоснабжения.

Реактор ИТЭР — техническое устройство, предназначенное для экспериментальной отработки половины будущей концепции. Его задача — «зажечь» термоядерную реакцию и убедиться в том, что к этому у человечества все готово. Конструкция не предусматривает утилизацию выделяющегося в ходе реакции тепла, это оставлено будущим специалистам. Нынешние просто не имеют в своем распоряжении материалов, способных выдержать промышленную эксплуатацию в условиях мощнейшего нагрева и сильнейшего нейтронного облучения.

Еще одна самостоятельная и важная цель — обмен опытом создания задействованных в программе агрегатов. Реактор строят в буквальном смысле всем миром. Центральный соленоид — из США, криогенные насосы — из Германии, сверхпроводники — из России и т. д. При этом все, что можно, заказано в нескольких местах — везде, где делают подобные вещи, а все участники проекта имеют полный доступ ко всему массиву проектной документации.