Истощение запасов органического топлива и возникшие из-за его использования экологические проблемы побуждают учёных ускорить работы над созданием новых энергоисточников. Одна из самых перспективных идей — освоение термоядерного синтеза. Вскоре международный исследовательский термоядерный реактор может появиться и в подмосковном ТРИНИТИ.
Будущее мировой энергетики сегодня всё чаще связывают с термоядерным синтезом. Фактически такие электростанции могли бы решить проблему энергоснабжения в планетарном масштабе и значительно снизить загрязнение окружающей среды. Дело в том, что при слиянии атомных ядер лёгких элементов выделяется колоссальное количество энергии. При этом первичным топливом для термо¬ядерного реактора является литий. Одной установке, сопоставимой по мощности с теплоэлектростанцией или АЭС, может потребоваться до 15 т природного лития в год. Эксперты говорят, что его запасов на Земле при современном уровне потребления энергии хватит на несколько тысяч лет, а если учесть запасы океана — на десятки миллионов лет.
Ещё один плюс термоядерной станции в том, что на ней не может произойти масштабной катастрофы. Такой реактор обладает пассивной безопасностью: сама реакция неизбежно гаснет при повышении мощности или при аварии. Стало быть, эти объекты можно размещать в густонаселённых районах, вблизи больших городов.
Для решения задачи промышленного освоения термоядерного синтеза в настоящее время во французском Кадараше усилиями целого ряда стран, в том числе и России, возводится экспериментальный термоядерный реактор ITER. Однако в конце января 2011 года генеральный директор госкорпорации «Росатом» Сергей Кириенко вновь подтвердил интерес к строительству на территории РФ уникального термоядерного реактора «Игнитор» (Ignitor). Уже ведутся международные переговоры, в частности с Италией и США, по привлечению партнёров в данный проект.
ЧТО ТАКОЕ «ИГНИТОР»
«Игнитор» разработан итальянскими учёными. Суть механизма его действия заключается в создании токамака с сильными магнитными полями и сильным тороидальным током. Главная идея проекта — достижение условий зажигания термоядерной плазмы только с помощью омического нагрева, за счёт протекающего в тороидальном направлении тока без привлечения мощных средств дополнительного нагрева. Получение в плазме необходимой величины тороидального тока, обеспечивающего омический нагрев до термоядерных температур, требует использования сильных магнитных полей, более чем в два — четыре раза превышающих тороидальные и полоидальные магнитные поля традиционных токамаков.
Успех экспериментов по зажиганию термоядерных реакций в основном посредством омического нагрева плотной плазмы даже при необходимости создания токамаков с сильным магнитным полем позволит существенно упростить технологию и снизить стоимость энергетической установки. Реакторы такого типа относительно компактны, поскольку работают с плазмой на порядок более высокой плотности без сложных и дорогостоящих систем дополнительного нагрева. Технологическое обеспечение управления процессами в токамаке упростится, повысятся надёжность и работоспособность.
Электромагнитная система «Игнитора» изготавливается из чистой меди, охлаждённой до температуры 30 градусов по Кельвину. Огромные электромагнитные и термомеханические усилия компенсируются самоподдерживающей конструкцией и выбором соответствующих конструкционных материалов. Для возбуждения тока используется центральный соленоид с сильным полем, для ввода топлива — многофункциональная высокоскоростная (более 4 км/с) пеллет-инжекция, что позволяет пикировать плотность плазмы. Все компоненты электромагнитной системы токамака помещаются в криостат и охлаждаются газообразным гелием. Температура чистой меди 30 К соответствует оптимальному соотношению её электросопротивления и удельной теплоёмкости.
КАМЕРА БУДУЩЕГО
Термин «токамак» (сокращение от «тороидальная камера с магнитными катушками») был предложен советскими физиками Андреем Сахаровым и Игорем Таммом, а первая машина появилась в 1960 е годы в Институте ядерной энергии им. Курчатова. Фактически это установка для получения плазмы с термоядерными параметрами и температурой порядка 100 млн. градусов. В такой установке плазма удерживается специально создаваемым магнитным полем.
Во второй половине 1960 х годов наши учёные заявили о том, что добились в токамаке температуры порядка 10 млн. градусов, что вызвало живейший интерес к подобным устройствам. С этого момента идея токамаков буквально овладела миром, начался бум их строительства, и к настоящему моменту в разных странах возведено около 100 подобных машин. Число обладателей технологии постепенно растёт. К примеру, в 2010 году первую плазму на токамаке, сооружённом в городе Курчатове российскими специалистами, получили учёные Казахстана.
Однако кульминацией глобального опыта по строительству и эксплуатации токамаков является проект ITER. Соглашение о сооружении установки было подписано в 2006 году. Страны Европы вносят около 50% объёма финансирования проекта, на долю России приходится примерно 10% от общей суммы. Эти средства вкладываются в первую очередь в создание мощностей для выпуска высокотехнологичного оборудования. Стройку, стоимость которой предварительно оценивалась в 5 млрд. евро, планировалось закончить в 2016 году, однако постепенно предполагаемая сумма расходов выросла вдвое, и теперь старт экспериментов ожидается не ранее 2019 года.
Несмотря на большие финансовые и интеллектуальные усилия, направленные на реализацию программы, международное научное сообщество не отказывается и от других проектов, основанных на принципе токамака. Дело в том, что во всём мире использование магнитного удержания плазмы считается наиболее перспективным подходом к термоядерному синтезу. Развитие токамак-реакторов сегодня осуществляется не только в России, но и в США и Европе.
ДОГНАТЬ И ПЕРЕГНАТЬ ITER
Эксперты считают, что «Игнитор» может быть построен значительно быстрее, чем реактор в Кадараше. К тому же он будет меньшего размера (1,3 м в поперечнике), чем ITER (6,2 м), и его возведение обойдётся гораздо дешевле, отмечает разработчик проекта, итальянский профессор Бруно Коппи.
Конструкция «Игнитора» основана на опыте, накопленном в ходе многолетних исследований на американском токамаке «Алкатор» Массачусетского технологического института. Ещё одним предшественником проекта можно назвать советский токамак с сильным полем Т 14. Однако для нагрева плазмы до термоядерных температур в «Игниторе» используется сильный ток, а не мощное импульсное (адиабатическое) сжатие.
Планируется, что токамак изготовят в Италии и установят в России в государственном научном центре «Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований» (ТРИНИТИ), где для этого есть необходимая инфраструктура. Фактически благодаря проекту «Игнитор» в нашей стране может появиться крупный международный термоядерный научно-исследовательский центр с большими возможностями для решения широкого спектра научных программ.
«Игнитор» — уникальная машина, которая за счёт существенного увеличения магнитных полей позволяет удерживать плазму более высокой плотности. Реализация столь масштабной программы в России станет подтверждением передовых позиций отечественной науки в данной области. «Игнитор» ни в коем случае не отменяет ITER, наоборот — он может дополнить этот крупнейший проект новыми возможностями», — отмечает директор Института проблем безопасного развития атомной энергетики, член-корреспондент РАН Леонид Большов.
Андрей РЕЗНИЧЕНКО, для «Страны РОСАТОМ
