В середине октября в Санкт-Петербурге состоялась XXV Международная конференция по энергетике, основанной на термоядерном синтезе (FEC-2014). На этом крупном научном форуме было заслушано около сотни докладов по различным аспектам теории термоядерного синтеза, по технологиям и материалам для термоядерных реакторов. Акцент в значительной степени был сделан на реализацию проекта ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor – Международного термоядерного экспериментального реактора) – проектирование и строительство которого сейчас идет в Кадараше (Франция). Но путь к Кадарашу был долгим и даже драматичным.
Спор за место под термоядерным солнцем
После испытаний первых советских и американских термоядерных бомб прошло более полувека, но до сих пор человечеству не удалось обуздать термоядерную плазму для получения безотходного и практически неисчерпаемого источника энергии для мирных целей.
Напомним, что для того, чтобы «зажечь» реакцию термоядерного синтеза – слияния ядер водорода с выделением энергии, – требуется разогреть водород до 100 млн градусов по Цельсию. Понятно, что ни один из известных на сегодняшний день конструкционных материалов не может выдержать такую температуру. В начале 1950-х годов советскими физиками была выдвинута идея удерживать высокотемпературную плазму в «подвешенном» состоянии, не давая ей соприкасаться со стенками термоядерного реактора, за счет магнитного поля специальной конфигурации. Этот принцип сегодня известен во всем мире как ТОКАМАК (ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками). ITER – как раз такой ТОКАМАК-реактор.
Разработка первой в истории термоядерной энергетической установки началась в 1987 году. Именно тогда специалисты и эксперты из стран Европейского сообщества, Японии, СССР и США пришли к соглашению начать совместное проектирование ITER.
В июле 1991 года участники приступили к разработке окончательного инженерного проекта реактора, этот этап был завершен в июле 2001 года. И начались бурные дискуссии между участниками проекта за право разместить на своей территории будущий термоядерный реактор.
Например, по мнению тогдашнего премьер-министра Испании Хосе Марии Аснара, его страна не только была вполне способна обеспечить низкие затраты на строительство реактора и предоставить наилучшие коммуникации, но и имела соответствующий научный потенциал.
Тут надо заметить, что по условиям соглашения тот, кто выигрывал площадку, брал на себя почти половину финансирования всей стоимости проекта. Остальные участники консорциума вносили свой вклад – по 10%. Казалось бы, ради чего такие жертвы? В 2004 году тогдашний министр РФ по атомной энергии академик Александр Румянцев в беседе с корреспондентом «НГ» пояснял:
«Это, безусловно, даст мощнейший стимул развитию всей научно-инженерной инфраструктуры в месте расположения столь уникальной установки. Игра стоит свеч, все это понимают. Успех в реализации проекта позволит в значительной степени модернизировать на современной основе всю национальную промышленность.
ITER – это демонстрационный реактор, промежуточный между фундаментальными разработками и этапом промышленного внедрения принципиально нового источника энергии, обладающего практически неограниченными топливными ресурсами и не загрязняющего окружающую среду».
Добавим, что, по оценкам экспертов Европейской комиссии, реализация проекта должна была создать примерно 10 тыс. рабочих мест.
Пол Томас и академик Евгений Велихов, члены директората ITER. Июнь 2014Однако к середине нулевых годов реальных претендентов на право заиметь ITER осталось два – Франция и Япония. По мнению Александра Румянцева, преимущество Франции состояло в том, что именно там был реализован уникальный проект единственного в мире ТОКАМАКа со сверхпроводящими обмотками, которые охлаждаются сверхтекучим гелием.
Во Франции уже существовала к тому моменту мощная инфраструктура, имелись высококвалифицированные кадры. На площадке Рокасё в Японии – другая технологическая цепочка. Там шло сооружение завода по переработке облученного ядерного топлива, располагалось высокотехнологичное хранилище высоко- и среднерадиоактивных отходов. Если во Франции предлагаемая под ITER площадка находилась в регионе, где расположен национальный ядерный центр, то для Японии размещение ITER на ее территории сулило радикально изменить всю научную инфраструктуру, которая была бы создана для реализации этого проекта. Обе площадки были очень наукоемкими. В итоге был выбран французский Кадараш.
«Бублик» прямо из печи!
Для получения энергии в реакторах термоядерного синтеза типа ТОКАМАК используются два изотопа водорода: дейтерий (тяжелый водород), который имеет один дополнительный нейтрон, и тритий – два дополнительных нейтрона. Эти ядра «сливаются» с выделением огромного количества энергии. Обычный водород, например, который служит топливом в термоядерных реакциях в недрах нашего Солнца, вступает в реакцию синтеза намного медленнее. (Это, впрочем, нас должно только радовать: иначе жизнь любой звезды во Вселенной, в том числе и Солнца, протекала бы со спринтерской скоростью.)
Очень важно, что топливо для реакторов синтеза легкодоступно. В природе дейтерий содержится в воде: один из каждых 6700 атомов водорода имеет дейтериевое ядро. Тритий распространен меньше. Он радиоактивен и имеет период полураспада 12,3 года, так что в природе в большом количестве не встречается. Кстати, именно поэтому очень серьезно Канада рассматривалась как один из возможных претендентов на размещение площадки для ITER. Дело в том, что тритий – побочный продукт атомных энергетических реакторов CANDU, используемых в Стране кленового листа, и его там накоплено большое количество.
ITER будет самым большим из когда-либо построенных ТОКАМАКов: его высота – 25 м. Плазменная камера в виде бублика-тора будет иметь ширину 4,3 м и высоту 8,4 м. По расчетам, ITER сможет генерировать мощность 1000 МВт. Ток в плазме должен достигать около 25 млн ампер, температура дейтерий-тритиевой смеси – по крайней мере 50 млн градусов (для сравнения: температура в центре Солнца – около 15 млн градусов). Дейтерий-тритиевая смесь в этом случае представляет собой плазму – электрически нейтральный газ, состоящий из положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов.
Чтобы удерживать плазму, 16 D-образных сверхпроводящих магнитов будут генерировать сильное тороидальное магнитное поле. Это самые большие сверхпроводящие магниты в мире – 14,8 м в высоту и 7,1 м в ширину. Сверхпроводящий провод находится при температуре около жидкого гелия (минус 269 градусов по Цельсию). Сверхпроводник будет способен нести ток 35 тыс. ампер; в каждом магните 240 витков такого провода. Таким образом, эта система будет способна создавать магнитное поле в 200 тыс. раз сильнее, чем среднее магнитное поле Земли.
Тепло, уходящее из плазмы, будет переноситься вдоль силовых линий магнитного поля в верхнюю и нижнюю части плазменной камеры. Здесь специальная система пластин будет принимать мощность около 100 МВт. Тепловая нагрузка может достигать 25 млн Вт/м2. (Опять же для сравнения: средняя солнечная радиация, достигающая поверхности Земли, составляет только 1300 Вт/м2.)
Лазер ТОКАМАКу КАМАК отрезал
Картинка впечатляющая, несомненно! Проблема в том, что все это в основном лишь красивая фантазия. Пока не существует ни одного ядерного реактора, который бы производил больше энергии, чем потреблял. Более того, расходы на проектирование и строительство ITER за истекшие четверть века выросли в два раза – от 5 до 10 млрд долл., но пока все находится на уровне строительства фундамента. За это время США под давлением своих ядерщиков успели отказаться от участия в этом проекте и вернуться в него вновь по престижным соображениям после вступления в проект ведущих азиатских держав – Китая и Индии. Расходы нашей страны в этом проекте оцениваются примерно в 1 млрд долл. Сроки завершения проекта из года в год откладываются все дальше и дальше, что никак не прибавляет оптимизма и самим ядерщикам.
В связи с этим можно привести оценочное высказывание крупнейшего специалиста – теоретика по ядерной плазме академика Роальда Сагдеева. Выступая на Международном научном форуме в Институте космических исследований Российской академии наук, организованном в честь его 80-летия в январе 2013 года, Роальд Зиннурович прямо заявил, что вяло текущий процесс по реализации проекта ITER–ТОКАМАК и по другим направлениям термояда скорее всего свидетельствует о том, что вряд ли до конца текущего столетия удастся получить термоядерный источник энергии.
И эта ситуация весьма характерна даже для США, где к этой сфере подключены правительственные структуры и конгрессмены. Как известно, в США за последние 20 лет теоретические и экспериментальные исследования по термояду осуществлялись по трем-четырем направлениям: cold fusion (холодный термояд), laser fusion (лазерный термояд), bubble fusion (пузырьковый термояд), и в ходе конфликтных споров между учеными-ядерщиками два из этих трех направлений были приостановлены. При этом надо иметь в виду, что США, население которых составляет примерно 5% от мирового, потребляют около 30% производимой в мире электроэнергии. По данным Института мировых ресурсов (World Resources Institute), в 1997 году среднестатистический американец ежегодно потреблял количество электроэнергии, для производства которой необходимо было сжечь 7956 кг универсального топлива. Это рекордно высокий результат. На втором месте в мире Канада (7864 кг), на третьем – Франция (4233 кг).
В начале 2014 года в США под эгидой Министерства энергетики была сделана попытка разработки «Программы термоядерного синтеза на предстоящие 10 лет», в которой, конечно, прежде всего речь шла о финансировании различных проектов, включая закрытие и приостановку «неперспективных» направлений. Разработка и рассмотрение программы шли при закрытых дверях и затянулись, что вызвало глубокое разочарование ученых-ядерщиков в крупнейших центрах страны.
Так выглядела строительная площадка термоядерного реактора ITER в Кадараше в августе 2014. Фото с сайта www.iter.orgexternal link, opens in a new tabБунт термоядерных ученых
Как раз в октябре нынешнего года, когда в Петербурге проходила Международная конференция по термоядерному синтезу, в самом престижном американском научном издании Science появилась необычная статья за подписью заместителя редактора под жестким заголовком: «US fusion plan drawes blistering critique» – «Термоядерный план США вызывает гневную критику». Эта статья проливает свет на трудности разработки и финансирования стратегических фундаментальных исследований по термояду. «Многие ученые-ядерщики США обрушиваются на доклад, в котором делается попытка разработать 10-летний стратегический план в их области, называя этот доклад «дефектным», «неудовлетворительным», продуктом сделанной наспех работы, изобилующим потенциальными конфликтами интересов, – отмечается в статье. – В итоге… большинство членов правительственной экспертной группы в составе 23 человек отказались от голосования по докладу в результате потенциальных конфликтов».
Главная претензия американских ученых-ядерщиков к правительственному докладу о «Программе термоядерного синтеза на предстоящие 10 лет» – неудовлетворительная с точки зрения качества экспертизы подготовка программы.
«Весь процесс был неудовлетворительным»,
– заявляет Мартин Гринвальд из Центра плазменных исследований и ядерного синтеза Массачусетского технологического института (МТI) в Кембридже.
Так, в Science, в частности, отмечается:
«Весной этого года Министерство энергетики США (DOE) поручило своему Консультативному комитету по ядерной энергетике (FESAC) подготовить доклад с оценкой возможных путей продвижения вперед. Это требование возникло в то время, когда программа США боролась за то, чтобы сохранить жизнеспособность программы исследований на фоне застоя бюджета и растущих финансовых обязательств перед ITER, который потребляет все большую долю ядерного финансирования США. FESAC создал подкомитет, в который по просьбе DOE не было включено ни одного сотрудника основных существующих термоядерных лабораторий США. У этого подкомитета было всего несколько месяцев для того, чтобы проконсультироваться с профессиональным сообществом и подготовить доклад. Кроме того, рекомендации подкомитета должны были уложиться в рамки четырех десятилетних бюджетных сценариев с относительно небольшим или никаким ростом расходов».
Кратко предложения, сформулированные в докладе, сводятся к следующему:
– акцент делается на развитие будущих реакторных технологий в ущерб фундаментальным исследованиям в области физики плазмы;
– в конце 10-летнего периода США должны быть готовы построить новый реактор: научную установку ядерного синтеза (FNSF);
– необходимо создание нового источника нейтронного излучения для изучения поведения материалов в условиях такого излучения.
Все эти планы, как отмечается в Science, «потребуют жертв в другом месте». Сейчас США имеют три термоядерных реактора средних размеров. Один из них, Alcator C-Mod в Массачусетском технологическом институте (MIT), был «приговорен» к закрытию в соответствии с президентской бюджетной заявкой. Однако позже он был спасен Конгрессом после мощного лоббирования со стороны политиков и ученых MIT. В новом докладе предлагается немедленно закрыть C-Mod и эксплуатировать в течение пяти лет два других реактора – NSTX-U в Принстоне (Нью Джерси), и DIII-D в Сан-Диего (Калифорния). Затем, как рекомендуется в докладе, в зависимости от финансирования может быть закрыт и один из этих двух.
Комментируя по нашей просьбе вышеупомянутую заметку в Science, академик Российской академии наук Роберт Нигматулин заявил, что, к сожалению, финансирование науки во всем мире, в том числе и в США, заметно сокращается. Это, естественно, вызывает недовольство среди представителей научного сообщества, когда они не могут завершить успешно начатые исследования. Тут нужно иметь в виду, что в соответствии с принятым в 2011 году законом в предстоящие 10 лет расходы бюджета США ежегодно должны сокращаться на 110 млрд долл., из них несколько миллиардов долларов падает и на сферу научных исследований, что и обостряет конкуренцию между разными научными центрами, вызывая нередко конфликтные ситуации между ними.
Итак, светлое термоядерное будущее нам скорее всего не грозит в обозримой перспективе. Свой ироничный сарказм Чарльз Скиннер из лаборатории PPPL, его цитирует Science в упомянутой статье, выразил в виде виртуального диалога, состоявшегося в «Ярмарке энергетики» между убеленным сединами ученым из FESAC и обыкновенным обывателем Джоном, который выясняет у ученого, какое количество термоядерной энергии производится в стране с момента утверждения (20 лет назад) предыдущей программы:
«– Да... мы изучаем науку о термоядерном синтезе, но когда ученый начинает объяснять американскую программу будущих исследований, Джон теряет всякий интерес к разговору и немедленно уходит с площадки со своими детьми, чтобы показать им что-то более интересное».