Идея управляемого термоядерного синтеза уже давно будоражит умы. В теории, такие электростанции обеспечат человечество надежным и мощным источником энергии, как АЭС, но будут намного безопаснее последних. Однако достаточно ли развиты наши технологии, чтобы построить и эксплуатировать такое сложное устройство? И сможет ли оно быть коммерчески оправданным или на его возведение и использование придется потратить больше денег, чем удастся заработать на продаже электричества? Наконец, не будет ли термоядерный реактор поглощать больше энергии для своей работы, чем производить? На эти вопросы должен ответить ИТЭР.
Долгий путь
В 1985 году лидеры СССР Михаил Горбачев и США Рональд Рейган встретились в Женеве. Эти переговоры считаются знаковыми, поскольку с них пошла на убыль первая холодная война. Стороны договорились (пусть и формально) о ядерном разоружении. Однако Рейганом, Горбачевым и президентом Франции Франсуа Миттераном был подписан и еще один договор – о начале международного проекта по проектированию и строительству термоядерного реактора ИТЭР (International Experimental Thermonuclear Reactor). Уже сильно позже, в 2010-х, название переосмыслят и будут трактовать как латинское слово iter — путь.
Проектировщики реактора объединили наработки четырех ведущих научно-исследовательских проектов по управляемому термоядерному синтезу, предоставленные Советским Союзом, США, Японией и Европейским сообществом. Само проектирование заняло 12 лет. За это время стало понятно, что участники ИТЭР не смогут потянуть строительство реактора по первоначальному проекту. Поэтому в 1998 году они поставили цель сократить стоимость реактора на 50%. Впрочем, впоследствии и стоимость, и сроки окончания строительства пересматривались еще не раз. Первоначально реактор должны были возвести к 2016 году за пять миллиардов евро. В 2009 году пуск перенесли на 2018-й, потом еще на год, а в 2015-м и вовсе сдвинули сразу на шесть лет до 2025-го. Но на полную мощность реактор выйдет только к 2035 году. При этом расходы возросли до 22 миллиардов евро.
Сейчас в строительстве ИТЭР участвуют семь сторон: Евросоюз, Индия, Китай, Россия, США, Южная Корея и Япония. В обще сложности, что-нибудь для реактора создают 35 стран (все страны Евросоюза рассматриваются как один участник). Сама строительная площадка расположена во Франции, в исследовательском центре ядерной энергетики Кадараш неподалеку от Марселя.
Евросоюз взял на себя 45% затрат по строительству ИТЭР (это логично, ведь стран там много, да и сам реактор останется на его территории), остальные участники вкладывают по 9,1%. При этом только 10% затрат составляют деньги. Все остальное — это строительные материалы, конструкции, приборы и технологии. Весь реактор разделен на «зоны ответственности» — каждый участник создает какую-то свою часть общего проекта. В этом и есть, пожалуй, самый интересный аспект международного сотрудничества в рамках ИТЭР. Все участники проекта получают полный доступ ко всем технологиям, задействованным в реакторе. Кроме того, они развивают собственные науку и инженерию. Например, в США специально для ИТЭР разработали новый высокопрочный сорт стали, а в России — уникальные разъединители на 12 киловольт и 60 тысяч ампер.
Таким образом, после окончания строительства у всех стран-участниц проекта будут технологии и практические наработки для конструирования собственных термоядерных реакторов.
Дорого, сложно, тяжело
ИТЭР — это токамак. Система магнитов для удержания плазмы в нем формирует поле индукцией 13 тесла (это в 200 тысяч раз больше, чем магнитное поле Земли). Для этого используются проводники из ниобий-оловянного и ниобий-титанового сплавов, находящиеся в сверхпроводящем состоянии при температуре около четырех кельвинов, или – 269 градусов Цельсия. Для охлаждения до такой температуры внутри катушек сделаны каналы, по которым течет жидкий гелий.
Сама вакуумная камера в виде тора (пончик, как ее называют в ИТЭР) выполнена из упомянутой выше особой нержавеющей стали, способной выдержать нейтронную радиацию, возникающую при работе токамака. При 19 метрах в диаметре и 11 метрах в высоту она весит больше пять тысяч тонн. У камеры двойные стенки, между которыми плещется дистиллированна вода — теплоноситель реактора.
Нейтронная радиация — основной негативный момент работы токамака. Чтобы улавливать высокоэнергетические нейтроны внутренняя стенка пончика покрыта бланкетом. Это система их 440 кассет, сделанных из меди, усиленной нержавеющей сталью. Передняя стенка кассет покрыта слоем бериллия толщиной от 8 до 10 миллиметров. По мере износа, бериллиевые слои будут заменять. Бланкет должен замедлять нейтроны и отводить тепло, которое при этом выделяется. Каждая кассета весит больше 4,5 тонны, а всего на них уйдет 12 тонн бериллия.
При этом бланкет — это еще и инструмент для эксперимента. Три его кассеты TBM (Test Blanket Modules) содержат изотоп лития. В результате столкновения нейтронов с этим изотопом образуется гелий-4 и тритий. Возможно, использование подобных кассет позволит реактору таким образом вырабатывать тритий для использования в качестве топлива.
Еще один защитный механизм ИТЭР — дивертор, который расположен в нижней части вакуумной камеры. Его задача — удалять из плазмы загрязнения, включая бериллиевую пыль, которые вызывают дополнительное излучение, способное негативно воздействовать на камеру.
В качестве топлива ИТЭР использует смесь дейтерия и трития, и этот реактор первый, приспособленный именно под него. Разогревать топливо до состояния плазмы будут с помощью высокочастотного нагревателя (по сути, большой микроволновки). Также можно задействовать и центральный электромагнит, обеспечив индукционный нагрев плазмы.
В камеру, из которой откачен воздух, при работающих электромагнитах будут вводит дейтериево-тритиевую смесь. Там она будет нагреваться, ионизироваться и становиться плазмой. Чтобы «поддать газу», на ИТЭР установят ледяную пушку. Она буквально замораживает топливную смесь и выстреливает ее в плазму небольшими гранулами на скорости до 1000 метров в секунду. Звучит масштабно, но на деле в камере в каждый момент времени будет находиться не больше одного грамма топлива.
Самая большая составляющая ИТЭР — это криостат, то есть оболочка реактора. Она почти 30 метров в высоту и в диаметре, а весит 3850 тонн. Криостат обеспечит опору для всех механизмов токамака, а также станет барьером между ним и внешней средой. Снаружи его окружат биозащитой — двухметровым слоем бетона.
Разумеется, у токамака есть и системы управления, топливная система для хранения и подачи дейтериево-тритиевой смеси, вакуумная система для откачки воздуха, криогенная и водяная система для охлаждения, дистанционный манипулятор для замены кассет бланкета и дивертора, хранилище отходов.
ИТЭР — это дорогая и сложная установка, при этом она не будет поставлять электроэнергию в сеть — напротив, станет активно потреблять, ведь для питания понадобится 110 мегаватт постоянно и 620 мегаватт во время зажигания плазмы. Тем не менее, в его строительстве есть резон. Ожидается, что ИТЭР ответит на большинство вопросов относительно практического использования термоядерных реакторов, даст исключительно много информации для совершенствования технологии и позволит впоследствии создать коммерчески успешные электростанции. То есть это вложение ради будущей прибыли. Впрочем, возможен и другой вариант: ИТЭР докажет, что термоядерная энергетика несостоятельна (по крайней мере, в наше время). Что ж, негативный опыт — тоже опыт.
Кстати, посмотреть на стройплощадку ИТЭР можно здесь: https://static.iter.org/com/360/calendar/2022-04/