alexdn2005

Официально идея международного термоядерного реактора была оглашена в ноябре 1985 года. Михаил Горбачев поддержал идею профессора Велихова, и на Женевском саммите сверхдержав именно он изложил проект президенту Рейгану. В правительстве США тогда разгорелась крупномасштабная бюрократическая борьба. Одним из аргументов против сотрудничества было убеждение, что СССР использует его как предлог для кражи американских технологий. Второй аргумент был символичен — советский физик Андрей Сахаров находился в изгнании, и США давили на Советский Союз с точки зрения прав человека. По итогам совещания Совета национальной безопасности было принято решение продолжать реализацию проекта.

Через год было достигнуто четырехстороннее соглашение между Евросоюзом, Японией, Советским Союзом и США. В 1999 году США отказались от участия — впрочем, ненадолго. Детальный проект был утвержден в 2001 году, в 2003-м к ITER присоединились Китайская Народная Республика и Республика Корея, вновь стали участниками США и прекратила свое участие Канада. В 2005 году вступила в проект последний на сегодня член — Индия.

Место для строительства ITER выбирали долго. Сперва конструкцию планировали установить в Японии, однако ввиду высокого уровня сейсмоопасности островное государство уступило в пользу юга Франции. Пойдя на компромисс, Евросоюз пообещал сохранить за Японией должности 20% научных сотрудников и главы административного органа. Кроме того, в рамках ITER на территории Японии будет построен еще один исследовательский центр, 50% которого будет оплачено из бюджета Евросоюза.

В 2006 году в Елисейском дворце прошла церемония, где соглашение ITER было официально скреплено подписями министров семи участников — Китая, Евросоюза, Индии, Японии, Кореи, США и России.

В 2008 году грейдеры начали ровнять 42 гектара песка, а через два года экскаваторы принялись раскапывать углубление под токамак. К строительству самого комплекса приступили в 2013 году. И сегодня европейские подрядчики ожидают составные детали со всего мира.

По словам руководителя отдела контроля проекта ITER Ханса-Генриха Альтфельда, среди членов ITER были споры о включении непредвиденных расходов времени и денег в план: «Некоторые настаивали на наличии непредвиденных обстоятельств: это хорошая практика управления проектами, особенно первыми в своем роде. Другие придерживались мнения, что если включить непредвиденные расходы в бюджет или график, то можете быть уверены, что они будут израсходованы. В конце концов решили непредвиденные обстоятельства не включать».

В 2001 году страны-участницы поддержали проведение исследований и разработок на сумму 42 миллиарда рублей. В 2006 году смета была утверждена на расходы в размере 820 миллиардов рублей. Начать строительство планировалось в 2008 году, а завершить — десятилетием позже. В 2015 году график сдвинули как минимум на шесть лет. По последним данным, проект обойдется в 1,5 трлн рублей.

«Видите прямо перед вами здание токамака? Оно должно быть готово к установке оборудования в марте 2020 года, — рассказывает Биго. — Два года назад многие отвечающие за его строительство поставщики заявили, что не смогут уложиться в наш график. На это я ответил: "Ни за что, мне жаль. Мы работаем вместе. И ваша задача — приложить все усилия, чтобы успеть вовремя"».

«Мы придерживаемся следующего графика: первая плазма — в 2025 году, первый физический эксперимент — в 2028-м, полная мощность термоядерного синтеза — к 2035-му», — рассказывает специалист.

«Если бы могли сами создать такой объект, мы бы, конечно, его создали. Понятно, что за последние десятилетия не всегда наука развивалась поступательно. Были исторические отрезки, когда у нас не вкладывали в науку ни государство, ни бизнес», — поясняет глава «Росатома» Алексей Лихачев.

В прошлом был построен не один токамак, но все они были слишком малы. Чтобы нагревать плазму до 150 млн °C, нужно много энергии, а значит — нужен большой токамак. Тем не менее и в настоящее время участники проекта помимо международного проекта ITER вкладывают силы и средства и в национальные программы. Как ни крути, основа физики — это эксперимент.

Ядерный синтез — это реакция слияния атомных ядер. Объединяясь, они порождают новые атомные ядра, субатомные частицы — нейтроны или протоны — и энергию (со знаком плюс или минус в зависимости от разницы масс продуктов и реагентов). При чудовищных температуре и давлении в центре тела звезды ядра водорода сталкиваются, сливаются в более тяжелые атомы гелия и выделяют гигантские количества энергии. Частично энергия ядерного синтеза Солнца поступает на Землю. Она нагревает атмосферу, вызывает полярные сияния, формирует озоновый слой, запускает процесс фотосинтеза. Благодаря последнему энергия Солнца усваивается и по пищевым цепям достигает всех обитателей Земли (кроме разве что хемотрофных бактерий).

Чтобы приручить энергию термоядерного синтеза в лабораторных условиях, необходимы три условия: температура 150 000 000 °С, высокая плотность для столкновения частиц и достаточное для прохождения реакции время удержания плазмы. Но плазма быть удержанной, конечно, не желает.

«Знаете ли вы пословицу "Вода всегда трещину найдет”? Плазма еще хитрее: она еще и условия создаст, чтобы эту трещину в магнитной конфигурации создать», — поясняет доктор физико-математических наук Валерий Сафронов. Профессор МФТИ Сафронов — сотрудник Проектного центра ITER, тот человек, который отвечает в России за изготовление первой стенки токамака, обращенной к плазме.

Наиболее эффективная реакция термоядерного синтеза протекает между изотопами водорода — дейтерием (D) и тритием (T). Реакция дает самый большой выход энергии при относительно низких температурах. Сердцем токамака служит вакуумная камера в форме своеобразного «бублика» — тора. Внутри под действием высокой температуры газообразное водородное топливо становится плазмой — четвертым состоянием вещества. То есть ионизированным газом с одинаковой суммарной плотностью положительных ядер и отрицательных электронов. Частицы плазмы нагреваются, ускоряются — и сливаются.

Высокая температура нужна для того, чтобы преодолеть электростатическое отталкивание положительно заряженных ядер. В результате слияния ядер дейтерия и трития образуется одно ядро гелия, один нейтрон и большое количество энергии. Ядро гелия уносит электрический заряд, а значит, под действием магнитного поля остается в пределах плазмы и способствует ее непрерывному нагреву. Около 80% энергии уходит с нейтроном, который не имеет электрического заряда и потому не подвержен влиянию магнитных полей. Эти нейтроны поглощаются в стенках токамака, где их кинетическая энергия преобразуется в тепло.

Чтобы удерживать раскаленную реакционную смесь, в ITER применяют катушки — 18 тороидальных, шесть полоидальных, 18 корректирующих и один центральный соленоид. Катушки создают магнитные поля, которые и удерживают плазму.

«Если представить свернутый в кольцо кусок шланга со склеенными концами, то тороидальное магнитное поле направлено вдоль получившейся окружности, а полоидальное — вдоль окружности трубки шланга. Эти два основных поля необходимы для того, чтобы обеспечить устойчивость плазмы», — рассказывает Сафронов.

Магнитное поле действует так, что вдоль него заряженные частицы могут путешествовать свободно, а поперек — отнюдь. В норме магнитное поле не позволяет плазме касаться стенок токамака. Однако если частицы плазмы все-таки получат доступ к стенке, то примутся выбивать из нее атомы. Это приведет к эрозии стенки и «загрязнению» плазмы примесями. «В отличие от изотопов водорода — дейтерия и трития — примеси, попадающие в плазму со стенок камеры, имеют зарядовое число больше единицы (зарядовое число Z — количество протонов в ядре. Оно равно порядковому номеру в таблице Менделеева — прим. Indicator.Ru). Чем выше Z, тем более высокой излучательной способностью обладают примеси и вызывают более интенсивное радиационное охлаждение плазмы, — продолжает ученый. — Поэтому важно изготовить стенку из легкого элемента с малым Z. Мы для этого используем бериллий».

Первая стенка будет состоять из панелей площадью метр на два. Ее покроют бериллиевые пластинки толщиной 8 мм и площадью 16 на 16 мм. За стенкой проведены теплоотводящие каналы с водой, и потому пластинки должны быть тонкими. Поверхность материала может растрескиваться от тепловых нагрузок, и потому плиточки должны быть крохотными. Для крепления пластинок в МИФИ был разработан специальный припой. Если в ходе работы токамака хоть одна пластинка отскочит, технология позволит обратно ее припаять.

В основе термоядерной электростанции лежит тот же принцип, что и в основе любой другой. Атомная электростанция питается энергией распада атомных ядер тяжелого урана, тепловая электростанция — энергией горения топлива, гидроэлектростанция — энергией тока воды. Токамак ITER станет прототипом электростанции, использующей энергию слияния ядер. И, как и любая электростанция, токамак будет преобразовывать механическую энергию в энергию электричества.

«В подходе к созданию термоядерного реактора на основе токамака есть много проблем, но две принципиальных. Первая — это проблема материалов: из чего сделать камеру? Материал будет контактировать с плазмой, эродировать и, попадая в горячую термоядерную плазму, вызывать ее радиационное охлаждение. Кроме того, материал должен выдерживать огромные нейтронные потоки. Вторая — тороидальный ток в плазме токамака не может течь до бесконечности. Электрический ток создает полоидальное магнитное поле и разогревает плазму. Но ток течет по плазме только до тех пор, пока существует вихревое тороидальное электрическое поле, создаваемое нарастающим током в первичной обмотке-индукторе. В перспективе термоядерный реактор должен работать стационарно, и в этом смысле стелларатор выглядит предпочтительнее (стелларатор — «собрат» токомака, все магнитные поля которого создают катушки, — прим. Indicator.Ru). А как греть плазму — это другой вопрос», — отмечает ученый.

«В токамаке ITER многие элементы работают на пределе физических возможностей материалов, но на нем все не закончится. ITER — это чисто экспериментальная машина, и на смену ей придет первый демонстрационный реактор DEMO. И там уже надо другие материалы использовать. Пока же мы их отрабатываем».

«Только русские могут взяться»

На встрече Алексея Лихачева и Бернарда Биго 17 октября обсуждался переход проекта в новую фазу — получения составных компонентов токамака со всего мира. Специально разработанные стоколесные трейлеры будут перевозить катушки со скоростью пять километров в час по выделенной дороге. Часть предварительно смонтированного оборудования весит до полутора тысяч тонн. Согласно ожиданиям, компоненты будут доставлены в исследовательский центр до 2021 года, установка оборудования начнется в марте 2024-го.

«С точки зрения человеческой логики параметры не просто поражают, они кажутся совсем-совсем сказочными. В одном технологическом контуре, в одном реакторе должна быть получена и сверхвысокая температура, которой еще нет в нашей Вселенной. Даже Солнце в десять раз холоднее, поскольку там другие плотности. Максимальная температура — 300 миллионов градусов, минимальная — практически абсолютный ноль, 3–4 К. И это все должно работать. Работать, отдавая 500 мВт энергии», — подчеркнул на пресс-конференции глава «Росатома».

«Формально мы участвуем на 9% в финансировании проекта. Как деньгами, так и поставками оборудования. При этом мы получаем 100% знаний, 100% опыта, 100% компетенции. На сегодняшний день во всех ключевых системах Российская Федерация участвует. Не только корпорация "Росатом", но и Курчатовский институт, Российская академия наук и ее институты. Они взяли на себя поставку проводников, вакуумных камер, магнитных катушек. Когда речь идет о наиболее сложном оборудовании — таком, как подводные шины, — то, как говорят здесь специалисты, только русские могут взяться за реализацию такого сложного современного оборудования».