Творці першого у світі термоядерного реактора: "Наша машина – як Сонце, але на Землі"

Чи може найскладніша в історії людства конструкція вибухнути, і що з усіма нами після цього буде - в ексклюзиві "Йоду".

На півдні Франції, неподалік невеличкого мальовничого містечка Екс-ан-Прованс, силами 35 країн світу завершують історичне будівництво під назвою ITER. Це англійська абревіатура, яка розшифровується як International Thermonuclear Experimental Reactor, по-нашому - Міжнародний термоядерний експериментальний реактор. Кнопку, яка запустить у дію махину вагою 23 тисячі тонн, обіцяють натиснути через 5 років. Хоча ідея будівництва першого в світі термоядерного реактора виникла більше 30 років тому, а офіційно ("за паспортом") ITER 24 жовтня цього року відсвяткував 12-річчя🎉

Чи небезпечна термоядерна енергія для людства? Навіщо вона взагалі нам потрібна? І чому у цьому будівництві століття не бере участь Україна? На ці та багато інших запитань "Йод" отримав відповіді від самих працівників ITER - фахівців з комунікації, безпеки, вчених, керівників, у тому числі генерального директора Бернарда Біго.

Амбітний проєкт Рейгана і Горбачова

- Для початку, вітаємо вас із виходом на фінішну пряму. Відомо, що запуск ITER запланований на 2025 рік. Але розроблятися він почав ще в 1980-х роках. Звідси дуже просте питання - чому так довго? Які основні труднощі виникали за цей час?

- Стартував ITER на Женевському саміті наддержав у листопаді 1985 року, коли генеральний секретар СРСР Горбачов запропонував президенту США Рейгану ідею спільного міжнародного проєкту з розробки термоядерної енергії в мирних цілях.

Рік потому було досягнуто згоди: Європейський союз (Євратом), Японія, Радянський Союз і США спільно займуться проєктуванням великої міжнародної термоядерної установки - ITER. Роботи з концептуального проєктування почалися в 1988 році, після чого були детальніші етапи технічного проєктування, доки в 2001 році країни-члени не затвердили остаточний проєкт ITER.

У 2003 році до проєкту приєдналися Китайська Народна Республіка і Республіка Корея, а в 2005-му - Індія. Вибір місця для проведення ITER був тривалою процедурою, яка завершилася в 2005 році, коли члени ITER одностайно погодилися з місцем, запропонованим Європейським союзом - неподалік Екс-ан-Прованса на півдні Франції.

На церемонії, яку організували президент Франції Жак Ширак і голова Європейської комісії Жозе Мануель Баррозу в Єлисейському палаці в Парижі 21 листопада 2006 року, Угоду про ITER офіційно підписали міністри із семи країн-членів ITER. Цей документ заснував міжнародну юридичну особу, відповідальну за будівництво, експлуатацію та виведення з експлуатації проєкту. Після ратифікації міжнародного договору всіма членами, ITER був офіційно заснований 24 жовтня 2007 року.

Тож, як бачите, для створення ITER знадобилося чимало політичних маневрів. І це пункт, яким теж не можна нехтувати. Адже ITER завжди був і досі є дуже амбітним політичним проєктом.

Місцем будівництва ITER обрали мальовничий французький Прованс.

Навіть у разі теракту чи аварії не доведеться евакуюватися з робочого місця

- В основі ITER - токамак, магнітна пастка, радянська розробка. Чому саме її вибрали для реактора, а не розробки західних країн? Хіба вони не сучасніші?

- Конструкція токамака була обрана для ITER, оскільки ця технологія є найрозвиненішою, і саме щодо неї накопичена найбільша база знань (західні розробки - це теж токамак).

Так, існує безліч технологій для доказу можливостей термоядерного синтезу, таких як стеларатори (Wendelstein-7X), лазерний синтез (Laser Megajoule і National Ignition Facility), протон-борний синтез (Tri-Alpha energy) тощо. Але наукове співтовариство вважає, що концепція токамака - найліпша для досягнення чистої енергії термоядерного синтезу.

Той самий токамак у розрізі.

- Головне питання, яке стривожило наших читачів - питання безпеки. В України складна історія, пов'язана з безпечною енергією в цілому та, зокрема, атомною. Катастрофа на Чорнобильській АЕС - назавжди в генетичній пам'яті наших людей. На чому ґрунтується ваша впевненість у безпеці термоядерного реактора? Атомну енергетику СРСР теж називали найбезпечнішою в світі...

- Існує велика різниця між атомним реактором поділу та термоядерним реактором синтезу. У термоядерному реакторі неконтрольована ланцюгова реакція, яка призводить до розплавлення активної зони, просто неможлива. Адже дуже важко домогтися реакції синтезу й зберегти її (ось чому у нас досі немає термоядерної енергії!). Але що б не сталося, якщо ми втратимо контроль над нагріванням, охолодженням або подачею палива, тепло всередині вакуумної камери природним чином загасає.

І навіть якщо припустити, що ми втратимо дах нашої прекрасної машини через теракт або аварії, нам навіть не доведеться евакуюватися з робочого місця. Бо, згідно з базовим принципом безпеки, у нас ніколи не буде більше 4 грамів нашої паливної суміші (дейтерій і тритій) всередині машини в будь-який час. Тому саме цей елемент безпеки робить термоядерний синтез таким привабливим. І саме тому 35 країн ставлять на цю карту.

- Якщо казати простішою та зрозумілішою для всіх мовою: чи може вибухнути ITER? І що буде після цього? (Наші читачі припускають, що після цього вже нічого не буде - кінець світу😱).

- У токамаку, пристрої для магнітного утримання плазми, кількості присутнього будь-якої миті палива досить тільки для декількох секунд горіння.

Важко досягти й підтримувати точні умови, необхідні для синтезу. Будь-яке порушення в них - і плазма охолоджується впродовж декількох секунд, реакція припиняється. Це майже так само, як газовий пальник гасне, коли закручують кран. Процес ядерного синтезу безпечний за своєю суттю. Немає небезпеки витоку або вибуху.

Головна система відводу тепла.

- Вибачте за хорор-сценарій, але що трапиться з працюючим термоядерним реактором, якщо він, наприклад, постраждає від землетрусу, на нього скинуть бомбу або впаде літак?

- Це те, про що ми говорили вище. Навіть якщо ми втратимо захисні бар'єри, надтовсті бетонні стіни й кришку, не відбудеться геть нічого. Конструкція ITER така, що навіть у разі непередбаченого порушення ізоляції токамака, рівні радіоактивності за межами корпусу ITER все одно будуть дуже низькими.

Попередній звіт з безпеки ITER містить аналіз ризиків і подій, які можуть призвести до аварій на об'єкті. Під час нормальної роботи радіологічний вплив ITER на найвразливіші групи населення буде в тисячу разів менше, ніж природне фонове випромінювання. А за "найгірших сценарїв", таких, як пожежа на тритієвому заводі, евакуація або інші захисні заходи для населення по сусідству не знадобляться. 

- Чи існує небезпека, що розробками мирного термоядерного реактора скористаються для створення нової зброї масового ураження?

- У термоядерному синтезі не використовують матеріали, що розщеплюються, такі як уран і плутоній. Радіоактивний тритій не є тим, що розщеплюється, а також є нездатним до ядерного поділу.

У термоядерному реакторі типу ITER немає збагачених матеріалів, які можна було б використовувати для створення ядерної зброї.

- Тим не менш, в ITER є цілий відділ, який відповідає за безпеку та довкілля. Чим конкретно він займається?

- Так, у нас є великий відділ, бо ми дуже серйозно ставимося до безпеки та захисту довкілля. Відділ займається, в тому числі, безпекою при проведенні будівельних робіт, оскільки вони досі тривають. Адже ITER - це масивний робочий майданчик.

Безпека також стосується звукоізоляційних компонентів, адже ніколи раніше вони не конструювалися в таких масштабах і з такою продуктивністю, тому в цьому плані потрібно бути дуже обережними.

ITER також проходить процедуру ядерного ліцензування, яка перша в своєму роді й для міжнародної спільноти, й для французького атомного регулятора. Ніхто з нас ніколи раніше не будував термоядерну машину такого розміру, тому ми маємо робити кожен крок разом і дуже обережно.

У мільйони разів більше енергії, ніж від спалювання

- Могли б ви найпростішими словами, так, щоб стало зрозуміло навіть першокласнику, пояснити головну відмінність в роботі ядерного та термоядерного реакторів?

- У ядерному реакторі (реакторі ділення) ви розщеплюєте атоми, а в термоядерному реакторі (реакторі синтезу) ви їх навпаки поєднуєте. Сонце є найбільшим термоядерним реактором з наближених до нас. Воно отримує свою енергію із синтезу атомів водню. Той же принцип ми використовуємо в термоядерному реакторі. Але на Сонці це відбувається природним чином через величезну масу та гравітаційні сили. Тут же, на Землі, нам потрібна маленька хитра машина - токамак - магнітна пастка, яка змушує атоми сплавлятися.

Інша ключова відмінність - паливо. Реактори ядерного ділення використовують 200-300 кілограмів урану або плутонію, дуже важких металів. При поділі їхні атоми розпадаються з утворенням та накопиченням радіоактивних відходів.

У токамаку ж використовується лише 2-3 грами водню, найлегшого елементу у Всесвіті. А реакція синтезу створює нейтронну енергію (для нагріву води та виробництва пари для приводу турбогенератора) та нерадіоактивне ядро ​​гелію. Термоядерний синтез не залишає довготривалих високоактивних радіоактивних відходів.

Контрольований синтез атомів вивільняє майже в чотири мільйони разів більше енергії, ніж хімічні реакції – такі, як спалювання вугілля, нафти або газу. І в чотири рази більше енергії, ніж реакції ядерного поділу (при рівній масі).

Однієї термоядерної станції достатньо для міста розміром з Вашингтон

- ITER називають "джерелом безкоштовної енергії". Це справді так? На чому ґрунтується цей принцип? Скільки таких реакторів потрібно в світі, щоб електрика стало безкоштовною для всіх?

- Енергія ніколи не буде безкоштовною. Мається на увазі, що ITER може стати джерелом вільної енергії - тобто чистої і безпечної для майбутніх поколінь.

ITER буде виробляти 500 мегават теплової енергії. Такої кількості достатньо, щоб вивчати горіння плазми, стан, якого раніше на Землі ніколи не вдавалося домогтися в контрольованому середовищі.

Вивчення термоядерної реакції в масштабі ITER дозволить оптимізувати наступні комерційні проєкти. Очікується, що комерційний термоядерний реактор буде в 10-15 разів потужнішим. Наприклад, термоядерна електростанція потужністю 2000 мегават зможе забезпечувати 2 мільйони будинків. Наші вчені прогнозують, що промислові термоядерні пристрої можуть почати роботу вже в 2040 році. Точні терміни будуть залежати від рівня суспільного запиту та політичної волі, яка проявляється у фінансових інвестиціях.

Бернард Біго

Початкова капітальна вартість 2000-мегаватної термоядерної станції - близько 10 мільярдів доларів. Ці капітальні витрати компенсуються вкрай низькими витратами на обслуговування, незначними витратами на паливо та нечастими витратами на заміну компонентів упродовж 60-річного терміну служби установки.

Крім того, капітальні витрати будуть скорочуватися залежно від того, як по світу розгорнеться встановлення термоядерних станцій. За нинішніх темпів споживання електроенергії, одного термоядерного пристрою більш ніж достатньо для живлення міста розміром з Вашингтон (округ Колумбія, США). А для всього столичного округу – Колумбія достатньо чотирьох термоядерних установок, з нульовими викидами вуглецю.

Якщо енергія синтезу стане універсальною, використання електроенергії може бути значно розширено, щоб скоротити викиди парникових газів від транспорту, будівель і промисловості. Забезпечення чистою, безпечною і економічно вигідною енергією стане дивом для нашої планети.
доктор Бернард Біго, генеральний директор ITER

Q≥10 - мета і світовий рекорд

- У яку суму (хоча б орієнтовно) оцінюються витрати на ITER? Починаючи від етапу розробки та до запуску. В яких частках країни-учасники фінансують його?

- ITER фінансується сімома членами: Китаєм, Європейським союзом (плюс Швейцарією в якості члена Євратому), Індією, Японією, Південною Кореєю, РФ і Сполученими Штатами. В цілому 35 країн ділять між собою витрати на проєкт.

Оскільки кожна з держав-членів відповідає за закупівлю необхідного обладнання самостійно, на своїй території, у своїй валюті, то пряма оцінка вартості будівництва ITER в єдиній валюті не має значення.

Але перед тим, як у 2016-му році відбувся перерахунок бюджету, Європейський союз оцінював свій глобальний внесок у витрати на будівництво ITER у 6,6 мільярдів євро. Вочевидь, внески інших країн залежали від вартості виробництва конкретно в цих державах. Якщо умовно уявити, що все виробництво відбувалося в Європі, вартість будівництва на той момент оцінювалося приблизно в 13 мільярдів євро. Перерахунок додав до цієї первісної оцінки 4 мільярди доларів.

- Чи правильно я розумію, що ITER не слугуватиме для вироблення енергії, принаймні на початковому етапі? Це величезний майданчик для наукових експериментів у галузі термоядерного синтезу. Що він може показати такого, чого не можна було побачити в лабораторіях за тривалі роки дослідження термоядерного синтезу?

- Метою ITER є рівняння Q≥10, яке означає, що ми прагнемо отримати від нашої машини вдесятеро більше енергії, ніж енергія, яка в неї вводиться для запуску процесу синтезу.

Для кращого розуміння зазначимо, що формула Q = 1 - це мить, коли сумарна теплова енергія синтезу, що виробляється під час плазмового імпульсу, дорівнює тепловій енергії, що вводиться в систему для нагріву плазми. Цього ніколи раніше не вдавалося досягти в термоядерній машині. Нинішній світовий рекорд належить європейському токамаку JET (Велика Британія), який досягнув Q = 0,67 в 90-х роках.

І саме для цього був розроблений ITER. І саме цим пояснюється участь у проєкті багатьох країн. Значення Q ≥10 зробить ITER першою в своєму роді машиною та унікальним науковим пристроєм. Це підсумковий експеримент, щоби довести, що в нас є технології, матеріали та знання, щоб зробити наступний крок і побудувати термоядерну електростанцію.

Територія ITER.

Всю нашу енергію спустимо у вигляді пари

- А  сам ITER можна буде використовувати з комерційною метою як джерело постійної енергії? І чи є в цьому необхідність? Людство підходить до кінця епохи традиційної енергії?

- ITER не вироблятиме електрику. Всю енергію, яку ми виробимо, буде перетворено на пару, яку ми випустимо через градирні. Таким чином, ITER - це останній експеримент на шляху до комерційного етапу термоядерного синтезу.

Ви питаєте, чи потрібна енергія синтезу? А які є варіанти, якщо ми хочемо відійти від спалювання викопного палива? У довгостроковій перспективі поновлювані джерела енергії не зможуть прогодувати населення цієї планети, що постійно зростає, як зростає і його попит на енергію (та електроенергію).

Тому термоядерний синтез - дуже цікавий кандидат для доставки так званої "базової електроенергії" до великих міст і промислових центрів. Ми, людство, не можемо дозволити собі не спробувати цей варіант!

Україна ніколи не виступала з ініціативою приєднатися

- Ми чули, що над деякими розробками для ITER працювали українські вчені. Можете уточнити, над чим саме?

- Щодо досліджень, то в Харкові й Києві були активні дослідницькі лабораторії фізики плазми, але ми не знаємо, в якому вони статусі зараз. У Харкові експерименти проводилися на стелараторі, а не на токамаку. Але там було кілька чудових теоретиків, які також займалися термоядерним синтезом загалом.

- Чому Україна не бере участь в ITER на державному рівні? Справа в грошах? Чи правда, що вступ у проєкт нової країни коштує 1 млрд євро?

- Як ми вже згадували, спочатку це був проєкт Рональда Рейгана (США) і Михайла Горбачова (СРСР). Незабаром приєдналися Європа та Японія. Паралельно, як відомо, розпався Радянський Союз, і членство в ITER зберегла Росія. Але разом з тим віталося й приєднання інших країн. Але, наскільки нам відомо, Україна ніколи не виступала з ініціативою приєднатися. На початку 2000-х років, до підписання Угоди про ITER, членами також стали Корея, Китай і Індія.

"Цінника" для приєднання, як такого, немає. Але загальна розрахункова вартість токамака ITER і всієї системи підтримки була оцінена на старті проєкту так, що виробництво розділили між усіма членами: 45% - для ЄС і 9% - для кожного з решти членів.

Виходячи з інформації членів, які публікують свої витрати (це ЄС і США), ми можемо зробити висновок, що загальна вартість проєкту перебуває в діапазоні 20 млрд євро. Тому 9% від цієї суми складе близько 1,8 млрд євро. Але, звісно, у деяких учасників можуть бути дешевші витрати на оплату праці, матеріали, виробництво тощо. Таким чином, фактично витрачена сума може бути меншою.

- Як це має відбуватися - ви надсилаєте запрошення для участі або країна сама має виступити з ініціативою?

- Рада ITER схвалила можливість прийняття асоційованих членів. Це вимагає роз'яснення. 

Справа в тому, що для членів ITER однією з найпривабливіших особливостей участі є те, що країни-члени набувають нових виробничих навичок і розширюють свої можливості, спираючись на наші складні інженерні розробки. Але зараз вже виконано понад 90% виробництва і закупівель. Тобто ми не бачимо можливості для приєднання повноправних членів - ні мети, ні цінності для країни.

Ось чому ми розробили концепцію асоційованого членства в ITER. Австралія та Казахстан вже розробили перші етапи такого членства. Для того, щоб приєднатися до цього процесу, необхідно чітко визначити три моменти: 1) країна має в своєму розпорядженні технологічний потенціал для суттєвого внеску в проєкт ITER; 2) країна має фінансовий потенціал; 3) уряд підтримує проєкт.

Будь-яка країна може подати заявку, надіславши листа генеральному директору ITER і офіційно висловивши зацікавленість у приєднанні. Зазвичай це супроводжується офіційним відвідуванням майданчика ITER делегацією високого рівня. Потім має бути офіційний візит у країну невеличкої делегації ITER, щоб переконатися в здатності країни зробити свій внесок.

Рада ITER, керівний орган, в якому представлені всі члени організації, має бути проінформована про будь-яку подібну зацікавленість. І після збору необхідної інформації, усі члени мають одностайно проголосувати за попередню Угоду з державою-нечленом щодо будь-яких кроків у напрямку асоційованого членства.

Фото: iter.org.

Юлія Мамойленко
Для публікації коментарів потрібно авторизуватись!
Через соцмережi
Через пошту
Ви
укр
рус
© 2018 «Йод.Медia». Всi права захищенiРозроблено у Wander Black
Ми збираємо і використовуємо cookie, для того щоб формувати достовірну статистику та робити контент цікавішим для кожного з наших читачів. Що таке cookie-файли, як їх ввімкнути/вимкнути, ви можете прочитати тут.Редакція шанує авторське право, тому, якщо хочете передрукувати будь-який наш матеріал, напишіть нам сюди.
Пошук
Увiйти
Через соцмережi
Через пошту