На стройплощадке Международного экспериментального термоядерного реактора (ITER) рядом с исследовательским центром Кадараш на юге Франции появилось первое оборудование. Это важная веха в многолетней истории проекта, стоимость которого превышает 10 миллиардов евро. 18 и 19 мая этого года увидеть нынешнее состояние “стройки века” смогли журналисты из стран, участвующих в проекте. Элементам будущей гигантской установки, доставляемым сюда из разных концов земного шара, еще только предстоит быть собранными в сложные узлы реактора, который может стать прообразом основного источника энергии для нужд человечества к концу XXI века.
Несколько рядов колючей проволоки среди провансальского пейзажа отделяют место, куда больше не ступит нога постороннего человека. Вход на территорию строго по пропускам, фотосъемка окрестностей, как и положено на стратегическом объекте, запрещена, для самой стройки - исключение. На строительной платформе, занимающей площадь 42 гектара, возвышаются огромные башенные краны. В городе таких не увидишь, каждый из этих кранов может поднять и перенести груз весом в тысячу тонн. Площадка покрыта полутораметровым слоем бетона, под которым уже сооружена антисейсмическая система, призванная защитить будущую установку в случае землетрясения: несколько сотен железобетонных колонн, каждая высотой 1,7 метра с антисейсмической прокладкой на вершине. Безопасность Международного термоядерного экспериментального реактора относится к категории “Часто задаваемые вопросы”.
Термоядерная реакция безопасна в принципе. В отличие от ядерного распада, используемого на атомных станциях, термоядерная реакция практически не производит радиоактивных отходов, от которых человечеству приходится избавляться, и в этом ее основное преимущество. Принцип термоядерной реакции в том, что при слиянии ядер изотопов водорода дейтерия и трития с образованием ядра гелия выделяется колоссальная энергия. Эта энергия поддерживает существование Солнца и других звезд, а воспроизведение процесса на Земле предполагается использовать, преобразовав полученную энергию, например, в энергию электричества. Но для этого реакция термоядерного синтеза должна быть управляемой, а для управления нужен реактор. Принцип такого реактора называется токамак.
Слово “токамак”, принятое сейчас во всем мире, происходит от русского словосочетания “тороидальная камера с магнитными катушками”. Термин был введен русскими физиками Игорем Таммом и Андреем Сахаровым в 1950-х, первый токамак был разработан под руководством Льва Арцимовича в Институте атомной энергии им. И.В.Курчатова в Москве. Началом эры токамаков считается 1968 год.
В токамаке термоядерная реакция протекает в высокотемпературной плазме, для удержания которой создается мощное магнитное поле. Структурно токамак представляет собой тороидальную вакуумную камеру, на которую намотаны катушки для создания магнитного поля. Это магнитное поле называется тороидальным. Вакуумную камеру заполняют смесью дейтерия и трития. Затем с помощью индуктора в камере создают вихревое электрическое поле. Индуктор представляет собой первичную обмотку большого трансформатора, в котором камера токамака является вторичной обмоткой. Электрическое поле вызывает протекание тока и зажигание в камере плазмы.
Протекающий через плазму ток нагревает ее, но также создает вокруг себя магнитное поле. Это круговое магнитное поле называется полоидальным, оно направлено перпендикулярно тороидальному полю. В результате образуется конфигурация, в которой винтовые магнитные силовые линии “обвивают” плазменный шнур. Полоидальное поле необходимо для стабильного удержания плазмы в такой системе. Для дополнительного нагрева плазмы используется микроволновое излучение.
Физики говорят, что каждый грамм смеси изотопов водорода (дейтерия и трития), запускающей термоядерную реакцию, дает энергию, эквивалентную энергии 8000 литров нефти.
За три десятка лет, прошедших с момента зарождения проекта ИТЭР во время Женевского саммита “Рейган - Горбачев” в ноябре 1985 года, физики и эксперты в смежных областях просчитали все условия работы установки для управляемой термоядерной реакции и согласовали узловые технические параметры. Однако преобразовывать энергию термоядерной реакции с пользой для человечества можно разными путями, а потому теоретические работы не прекращаются, и ИТЭР - международная школа строительства термоядерного реактора - даст еще не одну диссертацию. Международный термоядерный экспериментальный реактор объединяет 2000 ученых и инженеров из 34 стран. Это 28 стран Европейского союза, а также Россия, США, Япония, Китай, Республика Корея и Индия.
Генеральный директор ИТЭР - Бернар Биго (Bernard Bigot), в прошлом председатель Комиссариата по атомной энергии и альтернативным источникам энергии Франции (CEA) и верховный представитель Франции в проекте. Он вступил в должность в феврале этого года, сменив представителя Японии Осаму Мотоджиму (Osamu Motojima). 18 мая он встретился с журналистами в штаб-квартире ИТЭР. Отвечая на вопрос корреспондента “Поиска” о возможном осложнении участия России в проекте в связи с определенными политическими разногласиями на международной арене, господин Биго отметил, что это “никогда не касалось и не касается проекта ИТЭР”. “Политические лидеры смотрят далеко вперед и понимают, что, навредив проекту ИТЭР, они возьмут на себя огромную ответственность, потому что воспрепятствуют устойчивому обеспечению человечества безопасной энергией”, - сказал Бернар Биго.
Комментируя вклад России в ИТЭР, генеральный директор проекта подчеркнул значимость участия нашей страны в научной составляющей проекта и напомнил о том, что именно в России была разработана концепция токамака, которая лежит в основе термоядерного реактора.
“Мне было очень приятно во время недавнего визита в Москву посетить Курчатовский институт, где уже было построено множество токамаков”, - отметил господин Биго.
“Так что, поверьте, вклад Российской Федерации очень весом, причем не только с научной, но и с промышленной точки зрения, и что важно - Россия всегда полностью выполняет свои обязательства, в том числе и по поставкам”,
- добавил он.
Россия ответственна за 25 компонентов ИТЭР. “Уже пошли и близки к завершению поставки сверхпроводника для магнитной системы токамака”, - сообщил “Поиску” специалист по информационным связям Российского агентства ИТЭР Александр Петров. В России производят два типа сверхпроводников: сверхпроводники для катушек тороидального поля (на основе соединения ниобий-олово, Nb3Sn) и сверхпроводники для полоидального магнитного поля (их делают из сплава ниобий-титан, Nb-Ti). Поставка сверхпроводников первого типа по планам должна завершиться в 2015 году, поставки сверхпроводников для полоидального магнитного поля продолжатся в следующем году. Александр Петров подчеркнул, что речь идет только о планах: “Все, что запланировано по поставкам в ИТЭР, не только у России, но и у других стран, может сдвинуться по не зависящим от них причинам”.
По словам Александра Петрова, в этом же году должна начаться поставка шинопроводов для системы электропитания.
Некоторым системам, за которые ответственна Россия, еще предстоят испытания, а другие их успешно прошли. Как рассказал Александр Петров, в мае в Нижнем Новгороде в присутствии представителей ИТЭР на производственном предприятии “ГИКОМ” проходили заводские испытания прототипа гиротронного комплекса - уникального оборудования для генерации тока и нагрева плазмы. “Фактически это гигантские микроволновые печи с совершенно феноменальными характеристиками. Они способны при мощности 1 мегаватт на частоте 170 гигагерц давать импульсы длиной в 1000 секунд”, - сказал Александр Петров. Прошедшие в Нижнем Новгороде испытания дают основания подписать с ИТЭР окончательную экспертную оценку проекта и приступить к промышленному производству. Если все пойдет по плану, то первый гиротрон на 80 процентов будет изготовлен в этом году.
Продолжаются работы по созданию компонентов “первой стенки” токамака. “Это очень существенная разработка, поскольку речь идет о компоненте, непосредственно обращенном к плазме”, - говорит Александр Петров.
Основные работы по производству российских компонентов ИТЭР намечены на 2016-2017 годы.
Выступая перед журналистами в штаб-квартире ИТЭР, представитель японского агентства рассказал, что для производства оборудования реактора в его стране используются существующие возможности автомобильной промышленности. То, что должно производиться для ИТЭР в России, во многом потребовало создания соответствующих условий с нуля. Так, Россия взяла на себя обязательство по производству 20 процентов всех сверхпроводников, но сверхпроводниковой промышленности в стране на момент утверждения проекта ИТЭР не существовало. В СССР сверхпроводники производили в Усть-Каменогорске, который находится на территории современного Казахстана, а в ВНИИНМ им. академика А.А.Бочвара было, по словам Александра Петрова, “буквально штучное производство”. Но на основе сохранившейся в институте технологии в городе Глазов в Удмуртии “в минимальные сроки с максимальной эффективностью было создано производство в гигантских масштабах, и за шесть лет специалисты Чепецкого механического завода полностью выполнили обязательства по производству 225 тонн сверхпроводящих стрендов”, рассказал представитель российского агентства.
Еще один показательный пример эффективного производственного решения касается облицовки “первой стенки”, той самой, что обращена к плазме. Как отметил Александр Петров, ее планировалось производить из одного материала, а эксперименты убедили, что необходимы более термостойкие материалы, и наиболее пригодным оказался бериллий с высокими теплоизоляционными свойствами. Бериллиевые технологии очень сложны по физическим и инженерным показателям, но в России была создана собственная технология производства этого металла, которая сейчас используется для создания бериллиевой облицовки конструкции “первой стенки” реактора.
“Я был практически на всех предприятиях и могу сказать точно: всё, что связано с ИТЭР, оборудовано по последнему слову техники и полностью соответствует задачам, а иначе просто нельзя”,
- считает Александр Петров.
Задачи, стоящие перед создателями уникальной установки, имеют численное выражение: проектная мощность ИТЭР - 0,5 гигаватта, температура плазмы - от 100 до 200 миллионов градусов Цельсия, в 10 раз больше, чем температура солнечного ядра. Магнитное поле - около 10 Тесла, в 200 тысяч раз больше магнитного поля Земли.
Следующим этапом на пути к промышленному термоядерному реактору станет токамак DEMO (DEMOnstration Power Plant) с мощностью от 2 до
4 гигаватт. Это проект электростанции, использующей термоядерный синтез для демонстрации коммерческой привлекательности термоядерной энергетики. Постройка DEMO планируется после успешного ввода в строй ИТЭР, то есть предположительно после 2027 года.
Один из научных руководителей проекта Марк Хендерсон (Marc Henderson) сравнил ИТЭР со строительством Кафедрального собора Барселоны (Собор Святого Креста и Святой Евлалии), который возводили несколько поколений архитекторов и рабочих. Следовательно, рассказывать о проекте нового генератора энергии для человечества, создаваемого поколениями физиков, будет не одно поколение журналистов.