Когда будет термояд: 500-мегаваттный проект ITER глазами участника
Если объяснять на пальцах, термоядерный реактор — это когда в магнитном поле удерживают плазму с температурой в 150 раз выше, чем на Солнце, а в трех метрах от нее находится охлаждающий контур гигантских катушек с температурой почти абсолютный ноль по Кельвину. По факту получаем самую горячую и самую холодную точки в галактике под одним колпаком. В реакторе два изотопа водорода «сплавляются» в гелий, высвобождая нейтрон, обладающий огромной энергией. По сути, это Солнце на Земле.
ITER — международный проект по строительству опытного реактора мощностью 500 МВт, который официально перешел из стадии строительства на стадию сборки.
Виталий Красильников — наш рассказчик, работает на проекте уже семь лет.
Виталий родом из Троицка. Закончил троцикую школу № 3 (теперь это лицей), отучился на физтехе в МИФИ, выбрав по примеру отца и друзей семьи тему токамаков, а после работал в научном центре ТРИНИТИ. Откликнулся на интересную вакансию в ITER и в данный момент участвует в строительстве самого большого токамака из когда-либо спроектированных человеком. С конца прошлого года Виталий вместе с коллегами курирует разработку нейтронных диагностик.
В августе при поддержке троицкой Точки Кипения он провел вебинар «Когда будет термояд?». Эту статью мы сделали вместе с Виталием на основе его лекции и сессии вопросов — ответов, которая за ней последовала.
Итак, давайте поговорим о термоядерном синтезе.
Была такая шутка: в каком бы году вы ни спросили, вам отвечают, что термояд будет через 10 лет. Сегодня эти прогнозы по срокам мы формулируем на основе проекта ITER — International Thermonuclear Experimental Reactor (Международного экспериментального термоядерного реактора). Сейчас это знамя, под которым ведутся все основные разработки в данной области.
В пике ITER должен производить 500 МВт ядерной мощности — в 10 раз больше, чем требуется для его работы. Это один из самых амбициозных энергетических проектов. Сегодня в нем участвуют семь стран-партнеров, представляющих больше 50% населения планеты: страны ЕС (выступают как единый участник), Китай, Индия, Япония, Россия, Корея и США. Со стороны проект поддерживают Австралия и Казахстан.
Базовые принципы работы термоядерной установки
Для неподготовленной части аудитории сделаю небольшое отступление об основных идеях, заложенных в ITER.
Экспериментальный реактор строится для изотопов водорода — дейтерия и трития. Если у обычного водорода ядро состоит из одного протона, то ядро дейтерия содержит один протон и один нейтрон, а ядро трития — один протон и два нейтрона. В результате реакции дейтерия и трития получается сложное ядро из пяти элементов, которое разваливается на гелий и нейтрон.
Ядерная реакция дейтерия и трития с образованием гелия и свободного нейтрона
Гелий — инертный газ, который ничем не вредит. У свободного нейтрона короткое время жизни, он сам по себе не опасен. Но он обладает большой энергией, поэтому нейтрон необходимо каким-то образом поймать и затормозить, а его кинетическую энергию применить с пользой. Один из вариантов — нагреть воду, создать турбину и преобразовать эту энергию в электричество.
Чтобы соединить дейтерий и тритий, их нужно разогнать навстречу друг другу. В больших объемах это можно сделать, нагрев смесь двух газов. Но чтобы реализовать эту реакцию в масштабах ITER (получив заданное отношение затрачиваемой и полезной мощности), по предварительным расчетам, придется нагреть смесь до 100–200 млн градусов (по Кельвину или Цельсию — уже не важно). Для сравнения: на Солнце всего 10 млн градусов, т.е. температура внутри экспериментального реактора должна быть в 10–20 раз выше.
Чтобы удержать плазму такой температуры в замкнутом объеме, можно использовать электрические и магнитные поля.
Один из подходящих инструментов предложили еще в Советском Союзе — это тороидальная камера, получившая название «токамак».
Термоядерный реактор ITER в разрезе
Токамак представляют собой магнитную катушку, где магнитные поля сформированы таким образом, что удерживают плазму в неком объеме внутри «бублика».
Огромные перспективы термоядерного синтеза стоят на трех столпах.
- Топливо для описанной реакции, по сути, бесконечно, существующих запасов землянам хватит на миллионы лет: дейтерий доступен в Мировом океане, а тритий можно производить в неограниченном количестве из лития.
- Взрыв или ядерное разрушение в результате неконтролируемой термоядерной реакции невозможны в принципе. Если что-то идет не так, реакция просто затухает.
- И третий — это отсутствие выбросов. На выходе мы имеем гелий, который остается в плазме и подогревает ее, а также нейтрон с большой кинетической энергией, который нужно просто поймать. Сама установка, конечно, облучается нейтронами, но не производит ядерные отходы.
Токамаки строились и раньше, в том числе в России. Но даже самый крупный токамак, находящийся в Англии (Jet), пока потребляет больше энергии, чем производит: сейчас отношение полученной мощности к затраченной — от 0,8 до 0,9. В ITER планируют улучшить результаты на порядок, добившись отношения 10 за счет другой физики плазмы, которая должна сама себя подпитывать. Правда, предстоит еще понять, как управлять этими процессами.
С ростом масштабов и температур инженерные проблемы растут нелинейно. Увеличился объем плазмы в два раза — катушка нужна в четыре раза больше. Нужны сверхпроводники, которые придется обернуть в некий термос и обеспечить внутри температуру -270 градусов. Все это — нетривиальные инженерные задачи.
ITER: диаметр 28 метров, высота — 30 метров. Масса — 30 тысяч тонн
Вот так выглядит ITER. Токамак размещен в колбе, она называется криостат. Это внешняя оболочка, которая охлаждает сверхпроводники катушек, создающих магнитное поле.
Внутри токамака необходимо создать температуру в 100 раз выше температуры Солнца — это будет самая горячая точка нашей Галактики. А снаружи будет одна из самых холодных точек — 4 градуса по Кельвину.
Расстояние между самой горячей и самой холодной точками — всего несколько метров.
Когда технологии не поспевают за теорией
Практически по всем направлениям разработки ITER мы сталкиваемся с проблемами, которые еще никто никогда не решал.
К примеру возьмем электронику, предназначенную для работы в вакууме и использующуюся для космических целей. Однако у нее нет защиты от радиации, которой в космосе почти нет. Существуют радиационно стойкая сталь и электроника для атомных реакторов, но они неспособны работать в вакууме (таких требований в реакторах просто не было). А значит, нужны новые, устойчивые и к вакууму, и к радиации материалы.
Еще пример — нейтронные детекторы, которыми я занимаюсь. Для ITER нам нужно несколько сотен детекторов, по 10 кристаллов в каждом. Нынешними темпами мир выращивает примерно 10–50 кристаллов в год, а к 2025-му нужно будет получить около 2000 кристаллов. Этот спрос неспособны удовлетворить имеющиеся установки. Несколько западных лабораторий работают над тем, чтобы доработать технологию.
И подобные примеры можно приводить бесконечно.
Краткая история ITER
Впервые о проекте ITER публично заговорили в 1985 году на саммите в Женеве — на пике оттепели международных отношений. США и СССР — в лице Горбачева и Рейгана — договорились о совместных разработках в области термоядерного синтеза. А крестным отцом ITER, пожалуй, можно назвать Е.П. Велихова — советского ученого, который предложил эту идею Горбачеву.
Встреча Рейгана и Горбачева на саммите в Женеве, 1985 г.
Некоторое время достигнутая договоренность существовала в эдаком вакууме, но в начале 2000-х к ней вернулись.
Когда в ноябре 2006 года в Елисейском дворце было подписано соглашение между семью странами-участниками, стало понятно, что проект ITER будет реализован.
Строительные работы на площадке начались в 2007 году. К 2010-му на территории уже вырубили лес, выровняли землю, построили несколько зданий. Начали рыть котлован под токамак-комплекс. На фото видны автомобили и домики. Площадь вырытого котлована — размером с городской квартал.
В 2011-м начали заливать фундамент.
Ниже на фото — активные сейсмические подставки. Они заменяемые: если одна из них выйдет из строя, специальный робот залезет под здание и произведет замену.
Сверху бетонной плиты — специальная противосейсмическая раскладка арматуры, которая будет заливаться бетоном.
Я приехал на проект в 2013 году. Тогда все строительство шло под землей и выглядело примерно так:
С конца 2014 года началось возведение стен над землей. На фото ниже — Assembly Building. В него для предварительной сборки будут попадать все крупные компоненты системы, а в здание токамака их перенесут с помощью большого крана.
А это подстанция высокого напряжения и трансформаторы.
В 2015 году Assembly Building обернули во внешние стены.
А это фото 2016 года:
А на фото ниже хорошо виден прогресс с 2014 года по весну 2020-го. Фото сделаны с разных ракурсов, но на них заметны существенные улучшения.
А вот так проект выглядит сегодня:
Здание токамака из бетона со стенами толщиной 1–1,5 м закончили 18 июня 2020-го (металлическая конструкция сверху — временная)
Еще несколько фото прогресса. Первый кадр снят внутри токамак-здания. Под этой крышкой будет размещаться токамак ITER. Вдали видно здание сборки и перемещаемый кран.
А это основание криостата. Оно уже установлено туда, где будет собираться токамак.
В начале лета 2020-го проект ITER официально перешел из стадии строительства на стадию сборки. Мы чуть ли не каждую неделю принимаем на стройплощадке большие элементы токамака: катушки, части вакуумной камеры. И это новый вызов. Огромные компоненты предстоит подгонять с точностью часового механизма. К примеру, допуски изготовления вакуумной камеры (30-метровой конструкции весом чуть меньше килотонны) — 1 мм. Возможно, оборудование придется подгонять под неточные размеры компонентов.
А параллельно идет постоянное уточнение конструкции, переделка чертежей.
Например, электрики выяснили, что нужно использовать более толстые провода. Те, в свою очередь, не помещаются в трубопроводы, плюс придется увеличивать отверстия в стенах. А значит, вырастет поток нейтронов наружу. Итог: придется разрабатывать более стойкую к радиации электронику.
Есть такая шутка, что каждые два года проект строят заново. Но при этом ни один шаг нельзя пропустить: нельзя восемь лет ничего не делать, включившись только на финальном этапе. Необходимо пройти весь путь от начала и до конца.
Структура проекта
Как я сказал, в проекте семь участников. В соответствии с базовой договоренностью Европейский союз вкладывает 45%, остальные страны по 9%. Вкладывают деньги — в центральную организацию на юге Франции. А также оборудование (части установки) и лучшие умы.
На гистограмме ниже показано, как страны-участницы вкладываются в отдельные направления.
Под восьмой аббревиатурой JF, по всей видимости, скрывается доля других стран (Казахстан и Австралия). Это распределение довольно плоское. Направления не разделены между странами, и это осознанный шаг, чтобы знания в каждой из областей не концентрировались в одних руках. Все делают понемногу. Например, Россия отвечает за верхние патрубки вакуумной камеры. Также она делает несколько диагностических систем.
Тут видно, что Россия поставляет катушки тороидального поля, часть диверторов, несколько модулей термозащиты, часть вакуумной камеры
Важный момент, на котором я хотел бы остановиться, — это организация процессов в ITER.
В центре структуры — генеральный директор ITER Organization, над ним — совет ITER, в который входят представители всех партнеров, участвующих в проекте. Правительства стран — участниц проекта на схеме показаны зеленым.
Совет управляет всем процессом, диктуя свои решения директору. Тот, в свою очередь, воплощает их в реальность, управляя рядом департаментов. На схеме их всего три, в реальности же их намного больше.
Департаменты общаются с локальными агентствами стран-участниц (иногда их называют домашними агентствами), а те взаимодействуют с лабораториями и индустрией — именно они строят компоненты токамака и поддерживающих систем.
Некоторые подсистемы изготавливает ITER напрямую, но большая часть все же проходит через всю цепочку — от директора до завода в конкретной стране.
Как видно из схемы, линейное управление проектом отсутствует. Локальные агентства имеют выход на свои правительства, и цепь замыкается. Эта нелинейность — важная особенность ITER: в любом вопросе участвуют разные стороны.
Для ITER определено четыре основных этапа.
Таймлайн проекта. Выход на полную мощность запланирован на 2035 год. После система будет использоваться только в научных целях и для обкатки технологий
Так называемая Stage Approach Configuration должна дать первую плазму к декабрю 2025 года. Эту дату установили несколько лет назад, и она не сдвигается, несмотря на коронавирус и политические изменения.
В этой конфигурации ITER будет функционировать всего полгода. Мы называем эту стадию «политической плазмой»: на малой мощности она поможет нам проверить вакуумную камеру, систему нагрева, магниты. В итоге мы должны понять, что вакуумная камера работает и плазма создается.
Далее начнется досборка тонких систем, в том числе системы нагрева плазмы. По мере сборки запланированы Prefusion power operation 1 и 2 на 2028 и 2032 годы соответственно.
Выход на максимальную мощность — в декабре 2035 года. После 2035 года ITER будет функционировать в научных целях еще 10 лет. Планируется 5,5 тыс. разрядов в 500 МВт по 500 секунд.
Вместо итогов
На данном этапе речь не идет о коммерческом производстве электроэнергии путем термоядерного синтеза. Нейтроны не будут захватываться, а их энергия не будет преобразовываться в электричество. Нейтроны будут выходить из установки, и их будут задерживать бетонные стены здания. Частицы будут проникать в комнаты и ячейки, поэтому во время работы установки людей в здании не будет. А механические свойства материалов, подвергающихся постоянной бомбардировке нейтронами, конечно, рассчитывают с учетом планируемого срока эксплуатации установки (полный выход нейтронов за все время работы установки — порядка 1021).
В теории есть несколько способов использовать кинетическую энергию нейтронов во благо. Один я уже упоминал — нагреть воду и поставить турбину. Второй путь — гибридный. Небольшой токамак можно обложить ураном-238 и использовать нейтроны для поддержания реакции распада урана. Масса урана при этом может быть много меньше критической, т.е. взрыва не произойдет ни при каких условиях. Если что-то пойдет не так в такой гибридной установке, реакция просто затухнет. Уран будет работать только за счет того, что его бомбардируют нейтроны, которые появляются, когда идет термоядерная реакция. И хотя такая станция производит радиоактивные отходы, она безопасна — не может взорваться.
Но финальная цель — это, конечно, чистый термояд, где нет урана и ядерных отходов. Это единственно правильная цель, но путь к ней долгий и сложный. Если ITER выполнит свою функцию и к 2035–2045 годам ответит на вопрос, можно ли получить выход энергии в 10 раз больше, чем затрачено, мы начнем строить демонстрационную станцию. В лучшем случае к 2050-му она даст ответ, будет ли коммерческий старт у проекта.
Однако двигаться в этом направлении надо. И ITER — это выгодная сделка. Каждый участник вкладывает 9%, но получает 100% разработок. По сути, это большой учебный проект для всех стран, который стоит намного дороже, чем любые коммерческие разработки. Но, несмотря на это, проект идет согласно графику и не обманывает ожидания. С каждым годом ему все больше доверяют, а значит, дальше работа должна пойти лучше и быстрее.
Основной этап строительства ITER завершен. Настал черед сборки реактора (фото — март 2020-го)
В общем, это будет подарок нашим внукам. О том, как продвигается проект, рассказывают на YouTube-канале ITER Organization.
