Термоядерный синтез способен предоставить человечеству практически безграничный источник энергии, который найдет широчайшее применение – от производства электроэнергии до космических путешествий к другим галактикам. Более 15 лет специалисты из 35 стран мира ведут строительство Международного экспериментального термоядерного реактора на юге Франции ITER. Какие цели преследуют участники данного проекта? В чем заключаются основные достоинства термоядерной энергетики и какие трудности возникают при ее развитии? На эти и другие вопросы директор частной организации ГК «Росатом» «Проектный центр ИТЭР» отвечает в интервью для интернет-ресурса «Научная Россия» Анатолий Красильников.
Справка: Анатолий Витальевич Красильников ― доктор физико-математических наук, директор частного учреждения Государственной корпорации по атомной энергии «Росатом» «Проектный центр ИТЭР » (частного учреждения «ITER-Центр») — российского Агентства ITER, автор и соавтор более чем 200 научных публикаций.
― В чем заключается термоядерный синтез и существует ли вероятность того, что он способен предоставить человечеству практически неограниченный источник энергии?
― Термоядерный синтез — это процесс объединения двух атомных ядер с небольшой массой. В итоге образуются продукты, общая масса которых оказывается меньше массы исходных ядер (это явление известно как эффект дефекта массы). Таким образом, в реакции термоядерного синтеза происходит преобразование массы в энергию, что соответствует формуле Альберта Эйнштейна, известной как Е=mc2.
― Он чем-то схож с тем, что происходит на Солнце?
― Солнце представляет собой гигантский термоядерный реактор, обладающий значительной массой. В его внутренностях изотопы водорода (протоны) взаимодействуют в термоядерных реакциях, известных как «протон-протонный цикл». В процессе их слияния формируется гелий-3, ядра которого, объединяясь, производят гелий-4. Этот процесс сопряжён с выделением огромного количества энергии.
Солнце, в отличие от земных реакторов, способно существовать при более низкой температуре благодаря гравитационному удержанию вещества: колоссальная масса звезды препятствует рассеиванию материала, удерживая его прочно. На Земле ситуация иная: объем плазмы, состоящей из дейтерия и трития, значительно меньше, чем у Солнца, поэтому гравитационное удержание невозможно, и приходится использовать магнитное поле. При температуре, достигающей 300 миллионов градусов Цельсия, любая стенка, изготовленная из любого материала, моментально расплавится, следовательно, удержать плазму внутри, например, в «кастрюле», невозможно, что и послужило причиной поиска альтернативного решения.
― Кто смог предложить его?
― Наш великий соотечественник Андрей Дмитриевич Сахаров. В 1950 году он высказал предположение, что удерживающая раскаленную плазму стенка должна быть магнитной. Он справедливо указал на то, что именно магнитное поле позволит плазме не распространяться. Была предложена конструкция токамака – тороидальной камеры с магнитными катушками, имеющей форму тора. Сегодня этот термин известен во всем мире и стал нашим национальным брендом. Существенным элементом идеи являлось не только окружение «тора» магнитным полем, но и пропускание тока через него. Благодаря этому частицы в плазме постоянно удерживаются, не выходя за пределы «тора». Практическую реализацию этой идеи осуществили выдающиеся отечественные ученые Л.А. Арцимович, И.В. Курчатов и другие на базе НИЦ «Курчатовский институт». В институте были построены первые десять токамаков, и впервые достигнута рекордная на тот момент температура в 10 миллионов градусов Цельсия, что стало настоящим потрясением для мирового научного сообщества. Первоначально ученые из других стран даже не могли поверить в это, однако, посетив СССР и увидев наши токамаки, убедились в подлинности достижений. После этого токамаки начали распространяться по всему миру, и сегодня в мире насчитывается более 300 подобных установок. Многие университеты используют настольные токамаки для обучения студентов.
― Как устанавливается факт протекания термоядерной реакции и какой длительности она должна соответствовать?
― Успешная термоядерная реакция неоднократно демонстрировалась. Основная трудность заключается не в подтверждении возможности реакции, а в создании термоядерного реактора. Человечеству необходима установка, генерирующая больше энергии, чем потребляется на удержание плазмы. В связи с этим был введен показатель, определяющий соотношение термоядерной мощности, полученной в результате реакции, к энергии, затраченной на нагрев и поддержание плазмы. Этот коэффициент мы называем «большим Q».
― Это означает, что было использовано все доступные ресурсы, однако результат составил лишь 67%? Какой результат считался бы оптимальным?
― Для достижения желаемого результата требуется больше единицы. Даже двойки будет недостаточно, поскольку для учета коэффициента полезного действия, который также нуждается в энергии, потребуется дополнительная мощность. Необходимо выработать такое количество энергии, чтобы с учетом КПД мы получили положительный результат.
― Когда это случится?
― Пуск ITER запланирован на 2034 г. Ожидается, что к концу 2030-х гг. будет продемонстрирован коэффициент 10.
― Что это нам даст?
― Термоядерная энергетика обладает рядом существенных достоинств. Прежде всего, это практически неисчерпаемый источник топлива. Вместо угля, древесины или газа здесь используются изотопы водорода – дейтерий и тритий. Запасы дейтерия в мировом океане огромны, и существуют способы его извлечения. Тритий, в свою очередь, не встречается в природе, но его можно получать из лития, которого в изобилии на нашей планете. Другим важным преимуществом термоядерной энергетики является её полная безопасность, поскольку условия, способные спровоцировать взрыв реактора, попросту исключены.
― Способна ли термоядерная энергия стать заменой нефти?
― Использование нефти или газа в качестве топлива нецелесообразно, подобно тому, как для отопления используют бесполезные бумаги. Это весьма дорогостоящее сырье. Вместе с тем, из нефти и газа можно получить множество ценных продуктов, а не использовать их только как топливо. Запасы углеводородов ограничены, поэтому их следует направлять на развитие нефтехимической отрасли и производство необходимых человечеству товаров, а не на сжигание и выброс углекислого и угарного газов в атмосферу. К тому же, термоядерный синтез является более безопасным, поскольку не оставляет углеродного следа. После его освоения он станет действительно экологически чистым источником энергии.
― А что касается освоения космического пространства? Возможна ли заправка космических кораблей термоядерным топливом?
― Действительно, для полета в космос использование дров не подходит. Запасы газа и нефти там отсутствуют, а необходимость в заправке топливных баков сохраняется, особенно при планировании полетов на большие расстояния, например, к другим галактикам. Однако, если на борту имеется термоядерный двигатель или система питания для него, то можно будет перевозить топливо (изотопы водорода) с собой или разработать технологию его производства непосредственно в космосе. Это вполне осуществимо. А вот представить путешествие в отдаленные космические просторы без термоядерной энергетики уже сложно.
― Какие события, помимо запуска ITER, запланированы в мире?
― В проекте ITER участвуют 35 стран мира, в том числе Россия. Все эти специалисты не только строят ITER, но также разрабатывают и создают собственные установки. В частности, в 2027 году в Китае планируется ввод в эксплуатацию токамака BEST, на котором можно будет получать от 20 до 200 МВт термоядерной энергии (в то время как на ITER ― 500 МВт). Это весьма перспективный эксперимент, который с большим интересом ожидает научное сообщество.
В области перспективных разработок Россия также может похвастаться рядом достижений. Среди них ― TRT (токамак с реакторными технологиями, который по праву можно считать ключевым элементом нашей национальной программы по термоядерной энергетике. Его создание осуществляется в сотрудничестве Проектного центра ИТЭР, НИИЭФА им. Д.В. Ефремова, госкорпорации «Росатом» и институтов Российской академии наук, расположенных в АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ» (Троицк). Данный токамак обладает уникальными характеристиками: он отличается от аналогов, созданных другими участниками проекта, тем, что в этой установке мы разрабатываем электромагнитную систему на базе высокотемпературных сверхпроводников.
― Каким образом будет осуществляться распределение энергии, произведенной после запуска реактора, между странами-участницами ITER?
― В данном проекте не решается задача распределения полученной энергии. Наша цель заключается в том, чтобы научиться генерировать термоядерную энергию, выражающуюся в виде нейтронов, покидающих плазму. В дальнейшем страны-участницы будут разрабатывать собственные демонстрационные реакторы, в которых планируется не только производство термоядерной энергии, но и ее трансформация в пригодные для использования формы, например, в электричество.
Главный замысел ITER в том, чтобы собрать все лучшие технологии разных стран в одной установке. Это очень дорогое предприятие, которое не по силам большинству стран по отдельности. Поэтому реализованная идея объединить свои, в том числе финансовые, усилия представляется оптимальным решением.
Речь идет о весьма непростой задаче. И этот вызов мы, государства-участники, приняли совместное решение. Мы согласовали создание плазмы, способность удерживать ее в течение тысячи секунд, исследование происходящих там процессов и, в конечном итоге, освоение управления ею.