Проект класса гигасайенс

Еще на заре развития атомных технологий ученые задались вопросом: является ли реакция деления самым эффективным способом производства атомной энергии? Уже тогда было известно, что при синтезе легких ядер удельное количество выделяемой энергии на массу намного выше, чем при их делении. Кроме того, термояд — ​это иной уровень безопасности, так как возможность взрыва исключается природой процесса. Но научные и технологические вызовы колоссальные, в одиночку ни одной стране с ними не справиться. Поэтому Игорь Васильевич Курчатов и решил начать работы по термояду, наладить максимальное международное сотрудничество.

Идея создания совместного международного проекта такого масштаба возникла в Советском Союзе в 1980‑х годах. Предложил ее Евгений Павлович Велихов, обсудил с американскими коллегами, затем предложение донесли до руководителей двух стран. Михаил Горбачев и Рональд Рейган решили: проекту быть. Практически сразу к ИТЭР присоединился Евросоюз, чуть позже — ​Япония. Инженерный дизайн проекта создали эти четверо партнеров.

В 2000‑м встал вопрос: где строить термоядерный реактор? Требования к площадке были следующие: рядом с морем (для упрощения логистики), сейсмоустойчивость, дешевое электричество.

В это время к проекту присоединились еще три партнера: Китай, Южная Корея, Индия. Рассматривались пять потенциальных площадок: в России, недалеко от Ленинградской АЭС; в Испании, под Барселоной; в Канаде, вблизи Оттавы (неподалеку расположен реактор, нарабатывающий тритий); в Японии; и наконец, на юге Франции, в Кадараше.

Голоса разделились: Соединенные Штаты, Корея и Япония проголосовали за японскую площадку, Россия, Евросоюз, Индия и Китай — ​за французскую. Голос России стал решающим (говорят, что президент Франции лично звонил президенту России по этому вопросу). Было решено строить реактор в Кадараше.

В ноябре 2006 года в Елисейском дворце представители семи партнеров подписали соглашение о реализации проекта строительства первого в мире международного термоядерного экспериментального реактора ИТЭР.

В 2007 году это соглашение было ратифицировано, то есть этот документ в каждой из стран-­участниц имеет статус закона. Всего в проекте ИТЭР сегодня участвуют 35 стран, в которых проживает больше половины населения Земли. Это наиболее технологически развитые страны.

Был момент, когда США и Индия собирались выйти из проекта. Были созданы специальные комиссии, проанализированы последствия такого поступка. Вывод: выход стран из проекта категорически не рекомендуется, так как он приведет к их изоляции в научно-­техническом мире. Кроме того, согласно подписанному соглашению, партнер, даже выходя из проекта, должен выполнить все свои обязательства и при этом теряет доступ к технологиям. Обе страны остались в проекте.

От каждого — по возможностям
Условия участия в проекте ИТЭР следующие. Партнер-­хозяин (Евросоюз) вносит 5/11 (чуть более 45 %) стоимости проекта, остальные партнеры — ​по 1/11 (по 9,09 %). При этом каждый партнер имеет право на безвозмездное использование всех технологий и ноу-хау, создаваемых в рамках проекта. Правда, с оговоркой: применяться они могут только для реализации внутренней программы по управляемому термоядерному синтезу. Каждый партнер ИТЭР имеет такую программу, и проект способствует развитию термоядерных технологий.

Россия, например, создает токамак с реакторными технологиями (ТРТ), в котором будет ряд новшеств, не предусмотренных в ИТЭР. Например, высокотемпературные сверхпроводники вместо низкотемпературных, литиевая первая стенка вместо бериллиевой/вольфрамовой.

В Китае с 2006 года работает токамак EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak), уже установивший ряд значимых рекордов; кроме того, там сооружается токамак BEST, предполагающий производство до 200 МВт термоядерной мощности. Это, конечно, меньше, чем на ИТЭР (500 МВт), но тоже очень амбициозно. Мы активно сотрудничаем с китайскими коллегами по проектам ТРТ и BEST.

Что такое ИТЭР
ИТЭР — ​это прототип термоядерного реактора с дейтерий-­тритиевой плазмой. В плазме обе частицы ионизованы, и каждая имеет положительный заряд. Однозарядные частицы, согласно закону Кулона, отталкиваются друг от друга. Для того чтобы они смогли слиться, нужно придать им огромную энергию — ​для этого и требуется нагрев плазмы до 300 млн °C.

В мире много токамаков; первый был построен в Курчатовском институте, потом они стали создаваться в других странах. Но на этих установках не термоядерная плазма: там нет интенсивного термоядерного горения дейтерия и трития, а значит, нет и плотной группы энергичных альфа-­частиц, являющихся продуктом этого горения. При этом энергия частиц этой группы в 100 раз выше, чем температура плазмы.

И вот эти энергичные частицы, «чувствуя» друг друга, двигаются по плазме, как косяк рыбы в океане или стая волков в лесу. У их движения свои законы, которых мы пока не знаем. Есть теории, но для их подтверждения нужны эксперименты. Поэтому главная цель ИТЭР — ​получить такую плазму и в течение 500−1000 секунд ею управлять. Это как с велосипедом: если вы проехали на нем два-три метра, это еще не значит, что вы научились кататься. Нужно удержать плазму в течение достаточно продолжительного времени.

ИТЭР принято сравнивать с Солнцем. Но у Солнца огромная масса, следовательно, в нем происходит гравитационное удержание плазмы. А как быть нам? Была предложена идея магнитного удержания плазмы, которая и будет реализована в ИТЭР.

Сравниваем дальше. Температура ядра Солнца — ​15−20 млн °C, в ИТЭР она будет до 300 млн °C (при полном режиме). То есть мы создаем искусственное солнце, в 15−20 раз более горячее, чем настоящее.

Еще одна колоссальная инженерная задача, которая решается в ИТЭР: бок о бок, на расстоянии трех метров, нужно разместить плазму токамака с температурой 300 млн °C и низкотемпературный сверхпроводник, в котором должна поддерживаться температура, близкая к абсолютному нулю — ​5 кельвинов (-268,15 °C, абсолютный ноль — ​-273,15 °C. — ​Прим. ред.). Охлаждать плазму ни в коем случае нельзя, иначе термоядерная реакция прекратится. Нагревать сверхпроводник тоже нельзя: если его температура увеличится хотя бы на градус, он выйдет из сверхпроводящего состояния, превратится в обыкновенный резистор, а сверхпроводящая катушка сгорит. Это нанесет значительный ущерб проекту: для восстановления катушки может потребоваться несколько лет. Для решения этой амбициозной задачи лучшие ученые моделируют поля нейтронов и гамма-­излучения, выбирают материалы и конструкции для защитных модулей вокруг плазмы и катушек.

Иногда спрашивают: «Ученые обещают построить термоядерный реактор уже 70 лет. Почему же это у них никак не получается?» Ответ: удержать плазму — ​очень сложная задача. У каждого атома как минимум три пространственные степени свободы, а могут быть еще и вращательные. В каждом кубическом сантиметре плазмы от 10¹³ до 10¹⁵ электронов и ионов. В зависимости от объема плазменного образования количество степеней свободы может достигать ~10²³-10²⁴. Плазма постоянно стремится вырваться из магнитной ловушки. Человек соревнуется с природой, пытаясь понять законы, по которым она удерживается, и сделать так, чтобы она не расплескалась.

Думаю, что когда-­нибудь мы победим. Но после запуска ИТЭР нам потребуется еще около двух десятков лет для того, чтобы научиться полноценно управлять таким реактором.

Следующий шаг: научиться преобразовывать энергию продуктов термоядерной реакции в энергию электрического тока. (Ведь в конечном счете нам нужны не альфа-­частицы и нейтроны, вылетающие из плазмы, а горящие лампочки.) Для отработки этой технологии на ИТЭР установят несколько экспериментальных модулей бланкета. Полноценно все это заработает на демонстрационном термоядерном реакторе, DEMO: он должен быть подсоединен к сети и вырабатывать электроэнергию. Пока не ясно, будет ли DEMO строиться сообща, как ИТЭР, или партнеры перейдут к собственным национальным проектам таких реакторов. В любом случае горизонт создания такого проекта — ​после 2040 года.

Последние новости
В течение нескольких лет на площадке строительства ИТЭР ведется монтаж установки. За это время, как и ожидалось, было выявлено определенное количество проблем — ​так всегда бывает, когда технология с «бумаги» переходит к реализации «в железе». Например, выяснилось, что модули вакуумной камеры, изготовленные в Корее, имеют отклонения от геометрических размеров больше допустимых. Всего этих модулей девять (из них в Корее производят четыре), и они должны быть автоматически сварены в тот самый бублик. В результате Корея забрала свои модули на доработку, а проект потерял несколько лет. Думаю, что в процессе монтажа найдутся и другие нестыковки — ​очень уж сложен проект технологически.

Россия закончила изготовление и поставку сверхпроводников для ИТЭР, а также катушки PF1. Несколько лет мы поставляем коммутирующую аппаратуру: из Петербурга во Францию ежегодно уходят 30−40 машин с этим оборудованием, там оно монтируется «с колес». Под технологическим руководством АО «НИИЭФА» изготовлены все 18 верхних патрубков вакуумной камеры, и мы почти завершили их поставки. Патрубки нужны для установки средств диагностики, оборудования для нагрева, устройств откачки; также они обеспечивают проникновение внутрь вакуумной камеры.

В ближайшие годы мы поставим порт-плаги — ​одни из самых сложных диагностических элементов ИТЭР. Там размещаются модули испытательного бланкета, системы ионного и электронно-­циклотронного нагрева и другие, включая средства диагностики параметров плазмы. Перед тем как установить порт-плаги в реактор, их нужно испытать на специальных стендах, которые тоже изготавливают в России. Всего мы должны будем поставить четыре испытательных стенда: на двух порт-плаги будут испытываться перед работой в токамаке, еще на двух — ​после работы.

В конце августа состоялась отгрузка металлической каркасной рамы первого стенда. Эта рама весом больше 20 тонн — ​его фундамент. До конца года запланировано еще несколько поставок оборудования для испытательных стендов.

Россия должна поставить для ИТЭР восемь из 24 гиротронов (устройств для дополнительного нагрева плазмы и генерации тока). Мы уже изготовили все восемь и четыре поставили. В этом году запланировано начать их установку на штатное место; для помощи в монтаже и наладке на площадку отправятся наши ведущие специалисты. В следующем году мы сделаем девятый, запасной гиротрон. Поскольку организация ИТЭР приняла решение увеличить мощность электронно-­циклотронного нагрева, мы предполагаем, что и количество гиротронов может возрасти. Мы к этому готовы. Гиротроны изготавливает Институт прикладной физики РАН: ​ученые из этого института — ​изобретатели этой технологии и признанные мировые лидеры.

Стенка преткновения
Первая стенка непосредственно контактирует с плазмой, поэтому к ней предъявляются особые требования: она должна обладать высокими механической прочностью, вакуумной плотностью, теплопроводностью и электропроводностью, жаропрочностью, стойкостью к термоциклическим нагрузкам и воздействию радиации. Изначально планировалось сделать первую стенку бериллиевой. Российский НИИЭФА должен был поставить 179 панелей первой стенки. Около половины работ уже было выполнено: разработаны многослойные прототипы, проведены их термоциклические, гидравлические (статические и динамические) и вакуумные испытания.

Однако ИТЭР принял решение заменить материал первой стенки на вольфрам. По сравнению с бериллием он имеет ряд преимуществ: он не токсичен, температура его плавления намного выше. Но есть у вольфрама и серьезные минусы. Основной — ​ионизация в плазме до высоких зарядностей. У бериллия число протонов в ядре Z = 4, у вольфрама Z = 74. То есть если примеси от первой стенки полетят в плазму, то степень ионизации у вольфрама может достигать 74. При этом интенсивность переизлучения энергии ионов примеси равна Z⁴, то есть высокозарядные примеси дают гораздо больше переизлучения. В результате плазма охладится, и нужно будет тратить гораздо больше энергии на ее нагрев.

Чтобы нивелировать эти недостатки, Россия предложила экранировать вольфрам покрытием на основе карбида бора (В₄С) с низким Z. Международная организация ИТЭР к нашим доводам прислушалась, и России поручили провести технологические НИОКР. Мы подписали с ИТЭР соответствующий контракт, и работы начались. Россия на своих токамаках такое покрытие уже использовала. Но подойдет ли оно для реактора ИТЭР с его сверхвысокими температурами и длительностью разрядов не 1 с, как было у нас, а 500 с? Все это предстоит выяснить. Это новый технологический вызов.

В любом случае смена материала первой стенки — ​это новый дизайн, новые толщины, новые конструкторские решения, а значит — ​снова сдвиг графика вправо.

Технологии в действии
Все работы по ИТЭР полностью открыты для участников проекта. Это необходимо для его успешной реализации. Например, Россия, среди прочего, изготовила катушку полоидального поля PF1. Но первым подобную катушку — ​PF6 — ​делал Китай. Уже после того, как катушка PF6 была готова, обнаружился пробой электрического заряда между проводами. Китайцам пришлось ее переделывать. Это потребовало существенных финансовых и интеллектуальных затрат. Но информация о технических решениях, найденных в Китае, стала доступна всем партнерам. В результате нашу катушку мы сделали с первой попытки, все тесты она прошла идеально.

Технологические решения, найденные для проекта ИТЭР, востребованы и в других областях: медицине, освоении космоса, материаловедении, физике высоких энергий. Приведу несколько примеров того, как Россия уже сегодня использует такие технологии.

Для ИТЭР необходимы низкотемпературные сверхпроводники, их изготавливали шесть из семи партнеров. Россия делала 20 % сверхпроводников. Мы работали в едином коллективе с партнерами, пользовались самыми удачными наработками друг друга. Благодаря ИТЭР на Чепецком механическом заводе (АО ЧМЗ) запущено первое в России производство низкотемпературных сверхпроводников. Кстати, российские сверхпроводящие кабели признаны международной организацией ИТЭР лучшими: они будут установлены в самых «рискованных» частях электромагнитной системы, где на сверхпроводник приходится наивысшая амплитуда циклических нагрузок.

Мы в России создали информационно-­коммуникационную платформу: ведущие институты страны в режиме реального времени участвуют в совместных экспериментах. Эта платформа основывается на опыте ИТЭР, на его стандартах визуализации, обработки и хранения данных.

Россия создала для ИТЭР диагностику измерения спектров и потоков нейтронов на базе детекторов из алмаза и камер деления с ²³⁵U и ²³⁸U. Все эти детекторы (прежде всего алмазные) востребованы в ядерной медицине: гамма-­лучевой, нейтронно-­лучевой, протонной терапии. Такие аппараты уже работают, например, на установках лучевой терапии в МРНЦ им. А. Ф. Цыба в Обнинске. Детекторы позволяют точнее измерять мощность и пространственное распределение поглощаемой дозы при облучении онкологических образований.

Всё большее развитие получают технологии переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ); для них необходимы системы мониторинга ионизирующего излучения ОЯТ. Мы же создаем для ИТЭР их аналоги — ​системы для нейтронного и гамма-­мониторирования.

Большой импульс благодаря участию в ­проекте получают и системы удаленного управления.