Создатели первого в мире термоядерного реактора: "Наша машина - как Солнце, но на Земле"

Может ли самая сложная в истории человечества конструкция взорваться, и что со всеми нами после этого будет – в эксклюзиве "Йода".

На юге Франции, рядом с небольшим живописным городком Экс-ан-Прованс, силами 35 стран мира заканчивают историческую стройку под названием ITER. Это английская аббревиатура, которая расшифровывается как International Thermonuclear Experimental Reactor, по-нашему - Международный термоядерный экспериментальный реактор. Кнопку, которая запустит в действие махину весом 23 тысячи тонн, обещают нажать через 5 лет. Хотя идея строительства первого в мире термоядерного реактора возникла больше 30 лет назад, а официально ("по паспорту") ITER 24 октября этого года отпраздновал 12-летие🎉

Опасна ли термоядерная энергия для человечества? Зачем она вообще нам нужна? И почему в международной стройке века не принимает участие Украина? На эти и многие другие вопросы "Йод" получил ответы от самих сотрудников ITER – специалистов по коммуникации, безопасности, ученых, руководителей, в том числе генерального директора Бернарда Биго.

Амбициозный проект Рейгана и Горбачева

- Для начала, поздравляем вас с выходом на финишную прямую. Известно, что запуск ITER запланирован на 2025 год. Но разрабатываться он начал еще в 1980-х годах. Отсюда очень простой вопрос - почему так долго? Какие основные сложности возникали за это время?

- Старт ITER был дан на Женевском саммите сверхдержав в ноябре 1985 года, когда генеральный секретарь СССР Горбачев предложил президенту США Рейгану идею совместного международного проекта по разработке термоядерной энергии в мирных целях.

Год спустя было достигнуто соглашение: Европейский союз (Евратом), Япония, Советский Союз и США совместно займутся проектированием крупной международной термоядерной установки – ITER. Работы по концептуальному проектированию начались в 1988 году, после чего последовали более детальные этапы технического проектирования, пока в 2001 году страны-члены не утвердили окончательный проект ITER.

В 2003 году к проекту присоединились Китайская Народная Республика и Республика Корея, а в 2005-м - Индия. Выбор места для проведения ITER был длительной процедурой, которая завершилась в 2005 году, когда члены ITER единогласно согласились с местом, предложенным Европейским союзом – недалеко от Экс-ан-Прованса на юге Франции. 

На церемонии, которую организовали президент Франции Жак Ширак и председатель Европейской комиссии Жозе Мануэль Баррозу в Елисейском дворце в Париже 21 ноября 2006 года, Соглашение об ITER официально подписали министры из семи стран-членов ITER. Этот документ учредил международное юридическое лицо, ответственное за строительство, эксплуатацию и вывод из эксплуатации проекта. После ратификации международного договора всеми членами, ITER был официально основан 24 октября 2007 года.

Так что, как видите, для создания ITER потребовалось немало политических маневров. И это пункт,  которым тоже нельзя пренебрегать. Потому что ITER всегда был и все еще является очень амбициозным политическим проектом.

Место для строительства ITER выбрали в живописном французском Провансе.

Даже из-за теракта или аварии не придется эвакуироваться с рабочего места

- В основе ITER — токамак, магнитная ловушка, советская разработка. Почему именно ее выбрали для реактора, а не разработки западных стран? Разве они не более современны?

- Конструкция токамака была выбрана для ITER, поскольку эта технология является наиболее развитой, и именно по ней накоплена самая большая база знаний (западные разработки – это тоже токамак).

Действительно, существует множество технологий для доказательства возможностей термоядерного синтеза, таких как стеллараторы (Wendelstein-7X), лазерный синтез (Laser Megajoule и National Ignition Facility), протон-борный синтез (Tri-Alpha energy) и так далее. Но научное сообщество считает, что концепция токамака – лучшая для достижения чистой энергии термоядерного синтеза.

Тот самый токамак в разрезе.

- Главный вопрос, который встревожил наших читателей — вопрос безопасности. У Украины сложная история, связанная с безопасной энергией в целом и в частности атомной. И катастрофа на Чернобыльской АЭС — навсегда в генетической памяти наших людей. На чем основывается ваша уверенность в безопасности термоядерного реактора? Атомную энергетику СССР тоже называли самой безопасной в мире... 

- Существует большая разница между атомным реактором деления и термоядерным реактором синтеза. В термоядерном реакторе неконтролируемая цепная реакция, приводящая к расплавлению активной зоны, просто невозможна. Ведь очень трудно добиться реакции синтеза и сохранить ее (вот почему у нас все еще нет термоядерной энергии!). Но что бы ни случилось, если мы потеряем контроль над нагреванием, охлаждением или подачей топлива, тепло внутри вакуумной камеры естественным образом затухает.

И даже если предположить, что мы потеряем крышу нашей прекрасной машины из-за теракта или аварии, нам даже не придется эвакуироваться с рабочего места. Потому что, согласно базовому принципу безопасности, у нас никогда не будет более 4 граммов нашей топливной смеси (дейтерий и тритий) внутри машины в любое время. Так что именно этот элемент безопасности делает термоядерный синтез настолько привлекательным. И именно поэтому 35 стран ставят на эту карту.

- Если говорить более простым и понятным для всех, кто нас прочитает, языком: может ли взорваться ITER? И что будет после этого? (Наши читатели предположили, что после этого уже ничего не будет — конец света😱). 

- В токамаке, установке для магнитного удержания плазмы, количество присутствующего в любой момент топлива достаточно только для нескольких секунд горения.

Трудно достичь и поддерживать точные условия, необходимые для синтеза. Любое нарушение в них - и плазма остывает в течение нескольких секунд, реакция прекращается. Это почти так же, как газовая горелка гаснет, когда закручивают кран. Процесс ядерного синтеза безопасен по своей сути. Нет опасности утечки или взрыва.

Главная система отвода тепла.

- Простите за хоррор-сценарий, но что случится с работающим термоядерным реактором, если он, например, пострадает от землетрясения, на него скинут бомбу или упадет самолет?

- Это то, о чем мы говорили выше. Даже если мы потеряем защитные барьеры, сверхтолстые бетонные стены и крышку, не произойдет ровным счетом ничего. Конструкция ITER такова, что даже в случае непредвиденного нарушения изоляции токамака, уровни радиоактивности за пределами корпуса ITER все равно будут очень низкими. 

Предварительный отчет по безопасности ITER содержит анализ рисков и событий, которые могут привести к авариям на объекте. Во время нормальной работы радиологическое воздействие ITER на наиболее уязвимые группы населения будет в тысячу раз меньше, чем естественное фоновое излучение. А в "наихудших сценариях", таких, как пожар на тритиевом заводе, эвакуация или другие защитные меры для населения по соседству не потребуются.

- Существует ли опасность, что разработками мирного термоядерного реактора воспользуются для создания нового оружия массового поражения?

- В термоядерном синтезе не используют расщепляющиеся материалы, такие как уран и плутоний. Радиоактивный тритий не является ни расщепляющимся, ни способным к ядерному делению.

В термоядерном реакторе типа ITER нет обогащенных материалов, которые можно было бы использовать для создания ядерного оружия.

- Тем не менее, в ITER есть целый отдел, который отвечает за безопасность и окружающую среду. Чем конкретно он занимается? 

- Да, у нас есть большой отдел, потому что мы очень серьезно относимся к безопасности и защите окружающей среды. Отдел занимается, в том числе, безопасностью при проведении строительных работ, поскольку они все еще продолжаются. Ведь ITER – это массивная рабочая площадка.

Безопасность также касается звукоизоляционных компонентов, ведь никогда прежде они не конструировались в таких масштабах и с такой производительностью, поэтому в этом плане нужно быть очень осторожными.

ITER также проходит процедуру ядерного лицензирования, которая первая в своем роде и для международного сообщества, и для французского атомного регулятора. Никто из нас никогда прежде не строил термоядерную машину такого размера, поэтому мы должны делать каждый шаг вместе и с большой осторожностью.

В миллионы раз больше энергии, чем от сжигания

- Могли бы вы самыми простыми словами, так, чтобы стало понятно даже первокласснику, объяснить главное отличие в работе ядерного и термоядерного реакторов?

- В ядерном реакторе (реакторе деления) вы расщепляете атомы, а в термоядерном реакторе (реакторе синтеза) вы их наоборот объединяете. Солнце является крупнейшим термоядерным реактором из приближенных к нам. Оно получает свою энергию из синтеза атомов водорода. Тот же принцип мы используем в термоядерном реакторе. Но на Солнце это происходит естественным образом из-за огромной массы и гравитационных сил. Здесь же, на Земле, нам нужна маленькая хитрая машина - токамак - магнитная ловушка, которая заставляет атомы сплавляться.

Другое ключевое отличие - топливо. Реакторы ядерного деления используют 200-300 килограммов урана или плутония, очень тяжелых металлов. При делении их атомы распадаются с образованием и накоплением радиоактивных отходов. 

В токамаке же используется всего 2-3 грамма водорода, самого легкого элемента во Вселенной. А реакция синтеза создает нейтронную энергию (для нагрева воды и производства пара для привода турбогенератора) и нерадиоактивное ядро ​​гелия. Термоядерный синтез не оставляет долговременных высокоактивных радиоактивных отходов.

Контролируемый синтез атомов высвобождает почти в четыре миллиона раз больше энергии, чем химические реакции – такие, как сжигание угля, нефти или газа. И в четыре раза больше энергии, чем реакции ядерного деления (при равной массе).

Одной термоядерной станции достаточно для города размером с Вашингтон

- ITER называют "источником бесплатной энергии". Это действительно так? На чем основывается этот принцип? Сколько таких реакторов нужно в мире, чтобы электричество стало бесплатным для всех?

- Энергия никогда не будет бесплатной. Имеется в виду, что ITER может стать источником свободной энергии – то есть чистой и безопасной для будущих поколений.

ITER будет производить 500 мегаватт тепловой энергии. Такого количества достаточно, чтобы изучать горение плазмы, состояние, которого ранее на Земле никогда не удавалось добиться в контролируемой среде. 

Изучение термоядерной реакции в масштабе ITER позволит оптимизировать последующие коммерческие проекты. Ожидается, что коммерческий термоядерный реактор будет в 10-15 раз мощнее. Например, термоядерная электростанция мощностью 2000 мегаватт сможет снабжать 2 миллиона домов. Наши ученые прогнозируют, что промышленные термоядерные установки могут начать работу уже в 2040 году. Точные сроки будут зависеть от уровня общественного запроса и политической воли, которая выражается в финансовых инвестициях. 

Бернард Биго

Начальная капитальная стоимость 2000-мегаваттной термоядерной станции – около 10 миллиардов долларов. Эти капитальные затраты компенсируются крайне низкими затратами на обслуживание, незначительными затратами на топливо и нечастыми затратами на замену компонентов в течение 60-летнего срока службы установки. 

Кроме того, капитальные затраты будут сокращаться по мере того, как по миру развернется установка термоядерных станций. При нынешних темпах потребления электроэнергии, одной термоядерной установки более чем достаточно для питания города размером с Вашингтон (округ Колумбия, США). А для всего столичного округа - Колумбия достаточно четырех термоядерных установок, с нулевыми выбросами углерода. 

Если энергия синтеза станет универсальной, использование электроэнергии может быть значительно расширено, чтобы сократить выбросы парниковых газов от транспорта, строений и промышленности. Обеспечение чистой, безопасной и экономически выгодной энергии станет чудом для нашей планеты.
доктор Бернард Биго, генеральный директор ITER

Q≥10 - цель и мировой рекорд

- Во сколько (хотя бы ориентировочно) оцениваются затраты на ITER? Начиная от этапа разработки и до запуска. В каких долях страны-участники финансируют его?

- ITER финансируется семью членами: Китаем, Европейским союзом (плюс Швейцарией в качестве члена Евратома), Индией, Японией, Южной Кореей, РФ и Соединенными Штатами. В общей сложности 35 стран делят между собой расходы на проект. 

Поскольку каждое из государств-членов отвечает за закупку необходимого оборудования самостоятельно, на своей территории, в своей валюте, то прямая оценка стоимости строительства ITER в единой валюте не имеет значения.

Но перед тем, как в 2016-м году проводился перерасчет бюджета, Европейский союз оценивал свой глобальный вклад в расходы на строительство ITER в 6,6 миллиардов евро. Очевидно, что вклады других стран зависели от стоимости производства конкретно в этих государствах. Если условно представить, что все производство происходило в Европе, стоимость строительства на тот момент оценивалась примерно в 13 миллиардов евро. Перерасчет добавил к этой первоначальной оценке 4 миллиарда долларов. 

- Правильно ли я понимаю, что ITER не будет служить для выработки энергии, по крайне мере на начальном этапе? Это огромная площадка для научных экспериментов в сфере термоядерного синтеза. Что он может показать такого, чего нельзя было увидеть в лабораториях за долгие годы исследования термоядерного синтеза?

- Целью ITER является уравнение Q≥10, которое означает, что мы стремимся получить от нашей машины в десять раз больше энергии, чем энергия, которая в нее вводится для запуска процесса синтеза.

Для лучшего понимания скажем, что формула Q = 1 – это момент, когда суммарная тепловая энергия синтеза, вырабатываемая во время плазменного импульса, равна тепловой энергии, вводимой в систему для нагрева плазмы. Этого никогда ранее не удавалось достичь в термоядерной машине. Нынешний мировой рекорд принадлежит европейскому токамаку JET (Великобритания), который смог добиться Q = 0,67 в 90-х годах. 

Вот именно для этого был разработан ITER. И именно этим объясняется участие в проекте столь многих стран. Значение Q ≥10 сделает ITER первой в своем роде машиной и уникальным научным устройством. Это итоговый эксперимент, чтобы доказать, что у нас есть технологии, материалы и знания, чтобы сделать следующий шаг и построить термоядерную электростанцию.

Территория ITER.

Всю нашу энергию спустим в виде пара

- А сам ITER можно будет использовать в коммерческих целях как источник постоянной энергии? И насколько в этом есть необходимость? Человечество подходит к концу эпохи традиционной энергии?

- ITER не будет производить электричество. Вся энергия, которую мы производим, будет превращена в пар, который мы выпустим через градирни. Таким образом, ITER - это последний эксперимент на пути к коммерческому этапу термоядерного синтеза. 

Вы спрашиваете, нужна ли энергия синтеза? А какие есть варианты, если мы хотим уйти от сжигания ископаемого топлива? В долгосрочной перспективе возобновляемые источники энергии не смогут прокормить постоянно растущее население этой планеты с его постоянно растущим спросом на энергию (и электроэнергию).

Так что термоядерный синтез - очень интересный кандидат для доставки так называемой "базисной электроэнергии" в большие города и промышленные центры. Мы, человечество, не можем позволить себе не попробовать этот вариант!

Украина никогда не выступала с инициативой присоединиться

- Мы слышали, что над некоторыми разработками для ITER работали украинские ученые. Можете уточнить, над чем именно?

- Что касается исследований, то в Харькове и Киеве были активные исследовательские лаборатории физики плазмы, но мы не знаем, в каком они статусе сейчас. В Харькове эксперименты проводились на стеллараторе, а не на токамаке. Но там было несколько великолепных теоретиков, которые также занимались термоядерным синтезом в общем. 

- Почему Украина не принимает участие в ITER на государственном уровне? Дело в деньгах? Правда ли, что вступление в проект новой страны стоит 1 млрд евро?

- Как мы уже вспоминали, изначально это был проект Рональда Рейгана (США) и Михаила Горбачева (СССР). Вскоре присоединились Европа и Япония. Параллельно, как известно, распался Советский Союз, и членство в ITER сохранила Россия. Но вместе с тем приветствовалось и присоединение других стран. Но, насколько нам известно, Украина никогда не выступала с инициативой присоединиться. В начале 2000-х годов, до подписания Соглашения об ITER, членами также стали Корея, Китай и Индия.

"Ценника" для присоединения, как такового, нет. Но общая расчетная стоимость токамака ITER и всей системы поддержки была оценена на старте проекта так, что производство разделили между всеми членами: 45% - для ЕС и 9% - для каждого из остальных членов.

Исходя из информации членов, которые публикуют свои расходы (это ЕС и США), мы можем сделать вывод, что общая стоимость проекта находится в диапазоне 20 млрд евро. Поэтому 9% от этой суммы составит около 1,8 млрд евро. Но, конечно, у некоторых участников могут быть более дешевые оплаты труда, затраты на материалы, производство и так далее. Таким образом, фактически потраченная сумма может быть меньше.

- Как это должно происходить — вы присылаете приглашение для участия или страна сама должна выступить с инициативой?

- Совет ITER одобрил возможность принятия ассоциированных членов. Это требует разъяснения. 

Дело в том, что для членов ITER одной из наиболее привлекательных особенностей участия является то, что страны-члены приобретают новые производственные навыки и расширяют свои возможности, опираясь на наши сложные инженерные разработки. Но сейчас уже выполнено более 90% производства и закупок. То есть мы не видим возможности для присоединения полноправных членов - ни цели, ни ценности для страны. 

Вот почему мы разработали концепцию ассоциированного членства в ITER. Австралия и Казахстан уже разработали первые этапы такого членства. Для того, чтобы присоединиться к этому процессу, необходимо четко определить три момента: 1) страна располагает технологическим потенциалом для внесения существенного вклада в проект ITER; 2) страна обладает финансовым потенциалом; 3) правительство поддерживает проект.

Любая страна может подать заявку, направив письмо генеральному директору ITER и официально выразив заинтересованность в присоединении. Обычно это сопровождается официальным посещением площадки ITER делегацией высокого уровня. За ней следует ответный официальный визит в страну небольшой делегации ITER, чтобы убедиться в способности страны сделать свой вклад.

Совет ITER, руководящий орган, в котором представлены все члены организации, должен быть проинформирован о любой такой заинтересованности. И после сбора необходимой информации, все члены должны единогласно проголосовать за предварительное Соглашение с государством-нечленом о любых шагах в направлении ассоциированного членства. 

Фото: iter.org.

Юлия Мамойленко
Для публикации комментариев нужно авторизоваться!
Через социальные сети
Через почту
Вы
Войти
Через социальные сети
Через почту