Российский токамак с реакторными технологиями (ТRТ) находится на стадии разработки эскизного проекта, концепция будущего термоядерного реактора уже создана. Об этом в интервью RT рассказал директор частного учреждения «ИТЭР-Центр» Госкорпорации «Росатом» Анатолий Красильников. По его словам, токамак станет предпоследним шагом к старту промышленного термоядерного синтеза. Данные для работы над этой установкой будут получены после запуска международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР - сейчас на площадке этого проекта возведены капитальные постройки и начата сборка оборудования.
- Анатолий Витальевич, в октябре стало известно, что до конца года российские специалисты получат прототип оборудования для токамака с реакторными технологиями (ТRТ). На какой стадии находится этот проект?
- Сейчас мы находимся на стадии разработки эскизного проекта. Ранее уже была создана концепция токамака с реакторными технологиями (ТRТ), в котором будет задействована электромагнитная система на базе высокотемпературных сверхпроводников.
Такие сверхпроводники способны работать в очень сильных электромагнитных полях. По этому показателю оборудование для ТRТ будет превосходить даже те устройства, которые уже созданы для международного проекта термоядерного реактора ИТЭР (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor). Если индукция магнитного поля ИТЭР будет составлять около 5,3 Тесла, то в ТRТ этот показатель дойдет уже до 8 Тл. При этом российская установка будет более компактной и, соответственно, более дешевой.
Однако, чтобы нагреть плазму в термоядерной установке, мало электромагнитной системы, нужен дополнительный источник энергии - гиротрон, мощный источник СВЧ-изучения. Наши коллеги из Института прикладной физики РАН разработали уникальный гиротрон с частотой до 230-260 ГГц, и до конца года они обещают испытать и представить его первый прототип. Для сравнения: предназначенные для ИТЭР гиротроны имеют частоту 170 ГГц.
Это лишь один из примеров того, как проект ТRТ подталкивает развитие термоядерных технологий в России. Ведь гиротрон - не единственная передовая разработка, которая создается специально под будущий реактор. Мы называем ТRТ технологической платформой, которая дополнит для России международный проект ИТЭР, в котором мы тоже участвуем.
- Вы упомянули особые сверхпроводники. То есть, в данной области особая роль отводится поиску новых материалов?
- Конечно. Дело в том, что сверхпроводник, создающий магнитное поле, должен функционировать не только при более высоких температурах, но и в более высоких магнитных полях. Кроме того, на сегодняшний день конструктивные материалы, способные выдерживать индукцию до 8 Тесла - технологический предел.
- ТRТ будет экспериментальным или же сразу начнется строительство промышленной установки с учетом опыта, полученного в рамках проекта ИТЭР?
- ТRТ будет и не промышленным, и не экспериментальным, а, скорее, технологическим. Основные эксперименты будут проведены на установке ИТЭР, где планируется изучить свойства термоядерной плазмы. Напомню, термоядерное состояние плазмы - это ее нагрев уже за счет протекающих в ней термоядерных реакций. В результате горения дейтерия и трития образуются альфа-частицы высоких энергий, которые поддерживают плазму в горячем состоянии. На ТRТ мы тоже планируем решать фундаментальные задачи, однако главная цель будущего реактора - отработка технологий, которые позволят в перспективе создать уже промышленный термоядерный реактор для генерации энергии.
Он предполагает не только производство термоядерной энергии, но и ее конвертацию в электро- или тепловую энергию. На ТRТ уже будут установлены такие экспериментальные модули, но, конечно, производством электроэнергии мы пока не будем заниматься. ТRТ станет, по сути, предпоследним шагом к промышленному термоядерному реактору.
- Что представляет из себя термоядерная установка? В целом, токамаки существуют давно, но почему термоядерные реакции до сих пор не применяются в промышленности?
- Действительно, концепция токамака впервые была сформулирована еще в 1950 году. Но проблема заключается в том, что у частиц термоядерной плазмы бесконечно много степеней свободы. И ими надо научиться управлять, чтобы плазма не разлеталась, а стабильно удерживалась в нужной тороидальной конфигурации - форме бублика, проще говоря. Любое отклонение термоядерной плазмы в сторону сразу приводит к повреждению стенок установки и одновременно гасит плазму. Задача по равновесному удержанию плазмы настолько сложна, что человечество решает ее до сих пор.
В установке ИТЭР ученые впервые смогут наблюдать за термоядерной плазмой с очень высокой плотностью высокоэнергичных альфа-частиц (положительно заряженная частица, ядро которой состоит из двух протонов и двух нейтронов. - RT). При такой высокой концентрации эти частицы начинают вести себя коллективно, как бы чувствовать друг друга, что даст новые для науки эффекты. Однако все это предмет будущих исследований.
- Если мы верно понимаем, то для термоядерного синтеза вещество нужно очень сильно нагреть и сжать - на Солнце это обеспечивается колоссальной гравитацией, в водородной бомбе - атомным взрывом. Перекроет ли объем полученной таким образом энергии затраты, которые нужны для разогрева и удержания плазмы?
- Для запуска термоядерной реакции положительно заряженные ионы надо сильно нагреть, чтобы преодолеть кулоновский барьер, который заставляет одинаково заряженные частицы отталкиваться друг от друга. В установке ИТЭР плазму разогреют до 300 млн градусов, это придаст ионам такую скорость, которая позволит им сблизиться и вступить в термоядерную реакцию.
Есть специальный параметр Q, который равен отношению энергии, полученной в результате термоядерных реакций к энергии, затраченной на разогрев и удержание плазмы. Для термоядерного реактора этот показатель должен быть не менее 10, тогда от установки будет практический положительный эффект.
На сегодняшний день самое высокое отношение Q было достигнуто на токамаке JET (Joint European Torus - Объединенный европейский токамак. - RT), оно составило 0,67. А нужно в 15 раз больше, чтобы можно было говорить о термоядерной энергетике.
- Если термоядерная энергетика все же появится, то какой будет ее эффективность по сравнению с атомной, например?
- Пока что ответ на этот вопрос является предметом фундаментальных исследований. Именно поэтому разрабатываются разные подходы к конструкции будущих термоядерных реакторов. Кроме того, нужно еще смотреть, в чем именно измеряется эффективность? Можно мерить в стоимости одного киловатт-часа электроэнергии, а можно говорить об исчерпаемости топлива. Для термоядерной энергетики неограниченные запасы топлива содержатся в мировом океане - это дейтерий, изотоп водорода.
- Кроме дейтерия, в термоядерных установках используется и тритий, которого на планете чрезвычайно мало. Его можно производить из лития, но сегодня его активно закупают производители аккумуляторов. Хватит ли термоядерной энергетике сырья?
- В тех количествах, какие нужны термоядерной энергетике, лития хватит - для литиевых батарей его нужно намного больше. Кроме того, можно рассмотреть применение одного дейтерия, в каких-то конфигурациях плазмы это возможно. Плюс, можно применять изотоп гелия, гелий-3, если получится найти его источник или мы научимся его производить.
- Россия - один из первых участников проекта ИТЭР, начало которому было положено еще в 1980-х годах. Как он развивается сейчас и какие результаты мировое научное сообщество рассчитывает получить?
- Проект ИТЭР изначально был инициативой Советского Союза. Планировалось, что СССР и США продемонстрируют, что могут быть не только соперниками, но и реализовывать совместно колоссальные проекты.
ИТЭР - самый крупный в истории человечества международный проект. С самого начала он был задуман таким образом, чтобы все полученные в его рамках технические решения сами формировали и продвигали мировую науку на новый уровень. То есть, проект создавался с прицелом на воплощение в то время еще не существовавших решений - их предстояло выработать усилиями ученых всего мира. Почти все приходилось делать впервые, создавать с нуля.
Отмечу, что к сегодняшнему дню на площадке ИТЭР построены практически все капитальные сооружения, начат монтаж оборудования в реакторном зале. Уже есть центральная колонна, вокруг которой монтируется вся установка - вакуумная камера и электромагнитная система. Мы преодолели стадию изготовления оборудования и находимся на стадии сборки. Надо учитывать, что реактор сооружается усилиями 35 стран, у которых разные скорости принятия решений, ментальность и культура работы. Кроме того, у всех разные бюджетные процессы. Не говоря уже о пандемии, которая, конечно, тоже затормозила работу.
- А санкции, которые вводились против России, повлияли на проект ИТЭР?
- Конечно. Из-за санкций скорость реализации тоже снижается. Потому что мы тратим больше усилий для решения технологических задач, чем могли бы. Да, в итоге мы находим решение, но это требует времени, и, к сожалению, денег. Соответственно, мы начинаем оптимизировать скорость изготовления оборудования.
- Как будет устроен реактор ИТЭР?
- ИТЭР - это плазменная ловушка тороидальной формы. Плазма находится при этом в очень высоком вакууме, близком к космическому, и окружена магнитным полем, которое ее удерживает. Поэтому, магнитное поле организовано так, чтобы магнитные силовые линии как бы навивались на этот «бублик». Собственно, это и есть конструкция токамака, которую в свое время придумали советские ученые.
Плазму нужно не только удержать, но и нагреть, для этого используется внешнее электромагнитное излучение - по аналогии с обычной микроволновой печью. Один сеанс эксперимента будет длиться тысячу секунд. Сначала в вакуумную камеру будет запущен газ из дейтерия и трития. Под воздействием электромагнитного излучения газ ионизируется, превратится в смесь ионов с электронами - плазму.
- Китайские ученые заявляют, что КНР сможет построить термоядерный энергетический реактор уже через несколько лет. Это реально?
- Все участники ИТЭР, включая Китай, давно сошлись в том, что этот проект является необходимым этапом для создания термоядерной энергетики. Пока на установке ИТЭР не будут решены фундаментальные вопросы удержания термоядерной плазмы, никто не сможет построить свой реактор. Конечно, для популяризации науки можно писать и говорить что угодно, но это далеко от реальности.
Например, несколько лет назад США приняли решение выйти из проекта и переключиться на собственные разработки. Однако потом специальная комиссия американской Национальной академии наук проанализировала последствия этого шага и назвала его ошибкой. Потому что в одиночку реализовать такой проект не под силу никакой стране, какой бы большой и развитой она ни была.
- О термоядерной энергетике говорят как не только о неисчерпаемом, но при этом еще и абсолютно экологичном источнике энергии. Это так?
- Да, термоядерная энергетика будет абсолютно безопасной для окружающей среды. Например, в термоядерном реакторе исключен взрыв. Максимум, чем грозит авария на такой установке, это тем, что плазма просто погаснет. Нет угрозы радиоактивного заражения, как и радиационных отходов. Единственные отходы - это гелий-4, не радиоактивный газ. Правда, еще есть нейтроны, которые радиоактивны, но они «живут» только в экспериментальном зале установки. Поэтому, учитывая также неисчерпаемость топлива, когда человечество освоит термоядерную энергетику, она сможет заменить все остальные виды энергетики во многих сферах. По большому счету, термоядерная энергия и сейчас является основой жизни на Земле - это энергия Солнца.
