Приручить плазму: почему Россия сделала ставку на термоядерный синтез

Тему экологии и невозобновляемости ресурсов, которые используют в качестве источников энергии, регулярно обсуждают как в СМИ, так и на правительственном уровне. Кажется, что от обычного человека эти разговоры далеки. Наука же действует на опережение: сейчас ученые разных стран осваивают новые технологии, в том числе в термоядерной энергетике. Эти разработки призваны обеспечить человечество электричеством на миллионы лет вперед.

В России для этого реализуется федеральный проект «Разработка технологий управляемого термоядерного синтеза и инновационных плазменных технологий» комплексной программы «Развитие техники, технологий и научных исследований в области использования атомной энергии в Российской Федерации» (РТТН). В следующем году он трансформируется в федеральный проект «Технологии термоядерной энергетики» нового национального проекта «Новые атомные и энергетические технологии». Когда ждать прорыв в области энергетики и как существующие термоядерные технологии меняют жизнь человека уже сейчас, разбираются «Ведомости.Наука».

«Ручное солнце» на миллионы лет

Традиционная атомная энергетика, в частности современные АЭС, получает электричество и тепло за счет энергии, которая выделяется при делении тяжелых атомных ядер на более легкие. В основе управляемого термоядерного синтеза лежит другой, обратный, принцип: извлечение энергии при слиянии легких атомных ядер и образовании более тяжелого. При этом его масса меньше, чем суммарно у исходных ядер, а разница высвобождается в виде энергии.

Термоядерный синтез не был выдуман человеком. Такую реакцию можно наблюдать в космосе – например, в звездных ядрах. Благодаря этому будущую электростанцию, основанную на таком принципе, зачастую сравнивают с «ручным солнцем».

Если ученым удастся создать электростанцию на основе термоядерного синтеза, энергия станет практически неисчерпаемой. В качестве топлива для будущих реакторов планируется использовать смесь изотопов водорода: дейтерия и трития. Нескольких граммов хватит на выработку тераджоуля энергии — столько потребляет среднестатистический человек за 60 лет.

Дейтерий, содержащийся в морской воде, можно получить благодаря уже освоенной технологии: сейчас производят десятки тысяч тонн этого элемента в год. Трудность может возникнуть с тритием, поскольку в природе он почти не встречается. Его планируют синтезировать путем нейтронного облучения лития, запасы которого исчисляются десятками миллионов тонн. Полученного количества трития должно хватить на миллионы лет использования в термоядерных реакторах.

Ключевым преимуществом электростанции с термоядерным реактором ученые называют экологичность: в процессе работы не создаются долгоживущие радиоактивные отходы. В случае возникновения неисправностей достаточно будет отключить электромагнитное поле, что просто остановит реакцию, поясняет глава проектного офиса по управлению термоядерным синтезом (УТС) частного учреждения «Наука и инновации» (госкорпорация «Росатом») Андрей Аникеев.

Нагреть и удержать

Чтобы создать термоядерную реакцию и соединить ядра двух разных веществ, их необходимо перевести в плазму. Для этого требуются огромные температуры. Например, дейтерий-тритиевый синтез происходит при нагреве не менее чем до 100 млн градусов Цельсия. Для сравнения: температура в ядре солнца — «всего» 15 млн градусов. Однако плазму недостаточно разогреть – ее необходимо удержать от контакта с металлическими стенками реактора.

Впервые решить эти задачи смогли советские ученые. В начале 1950-х гг. академики Игорь Тамм и Андрей Сахаров предложили схему устройства, получившего в дальнейшем название «токамак». Это вакуумная установка, в которой плазма разогревается пропускаемым через нее током, а удерживается магнитными полями от внешних катушек. Впервые такой аппарат изготовили в Курчатовском институте: в 1968 г. его сотрудники смогли получить и удержать плазму, нагретую до 11,6 млн градусов Цельсия. С тех пор токамаки строят в исследовательских лабораториях по всему миру.

Пока что существующие токамаки доказали только возможность термоядерного синтеза на Земле. Следующий шаг – подтверждение, что его можно использовать для производства энергии в промышленных масштабах. Для этого необходимо убедиться, что в ходе синтеза можно получить значительно больше энергии, чем требуется для запуска реакции. Сделать это планируется совместными усилиями 35 стран: с 2007 г. на юге Франции строится крупнейший в мире экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР –м International Thermonuclear Experimental Reactor.

Идея проекта принадлежит российскому ученому Евгению Велихову. Исследовательский комплекс разместится на 180 га; конструктивно реактор представляет собой токамак высотой 30 м и весом 23 000 т. Протяженность сверхпроводящих проводов для электромагнитных систем превысит 100 000 км. Ученые рассчитывают разогреть плазму в ИТЭР до 300 млн градусов Цельсия. В случае успешных испытаний реакция внутри установки станет самоподдерживающейся, то есть не потребует энергии извне.

От теории к практике

Следующим шагом после испытаний на ИТЭР должно стать появление ДЕМО – демонстрационного реактора, который подтвердит возможность производства электричества для потребителей, рассказывает Аникеев. «Такие устройства появятся не ранее второй половины нашего века, где-то в 1950–1960-х гг. А непосредственно коммерческие реакторы можно ожидать к концу века», – сделал прогноз ученый.

Такое значительное время Аникеев объясняет тем, что для промышленного производства электричества с помощью термоядерного синтеза все еще требуется поиск и отработка большого числа технологий. Кроме того, ученым, инженерам и экономистам необходимо убедиться, что цена производимого электричества с учетом затрат на строительство, эксплуатацию и утилизацию термоядерного реактора окажется сопоставима с рыночной, то есть это действительно будет коммерческий реактор.

Вместе с тем Аникеев отмечает, что термоядерный синтез уже в скором времени может использоваться в гибридном реакторе. Эта установка, в которой одновременно происходят как ядерные, так и термоядерные реакции: быстрые нейтроны, получаемые в ходе термоядерной реакции, используются для осуществления реакции деления и наработки ядерного топлива. Планируется, что гибридные реакторы станут частью замкнутого ядерного топливного цикла. Они будут не только генерировать электричество и тепло, но и перерабатывать отходы атомной энергетики.

Отрабатывать технологии как гибридного, так и термоядерного режима поможет опытный токамак Т-15МД, действующий в НИЦ «Курчатовский институт». В конце 2023 г. на нем был получен разряд с током плазмы 260 кА длительностью более двух секунд и температурой около 40 млн градусов. «На сегодняшний день эти показатели – рекорд для российских токамаков», – рассказал РБК заместитель руководителя комплекса термоядерной энергетики и плазменных технологий Курчатовского института Михаил Субботин. Планируется, что к 2030 г. мощность токамака удастся довести до 25 МВт, а температуру плазмы до 100 млн градусов Цельсия.

В поисках решений

Чтобы приблизить момент освоения термоядерной энергетики, российские ученые работают над решением целого комплекса проблем. Одна из них – описанный выше нагрев плазмы. Долгое время за это отвечали проволочные катушки под током, однако они занимали значительные площади, а их температурный потенциал ограничен. Кардинально решить проблему помогло создание гиротрона – мощного высокочастотного микроволнового прибора, изобретенного в 1960-х гг. в СССР.

Текущее поколение устройств способно давать в непрерывном режиме излучение мощностью 1 МВт, а благодаря маленькой длине волны его можно сфокусировать на крошечной площади – нескольких квадратных миллиметрах, рассказал отраслевому изданию «Атомный эксперт» директор Федерального исследовательского центра Института прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН) Григорий Денисов. Именно здесь, совместно с ЗАО НПП ГИКОМ, сейчас ведется усовершенствование и производство гиротронов для термоядерной энергетики России.

С момента создания первого токамака самым популярным способом удержания плазмы остается магнитное поле, однако существует еще один перспективный вариант – инерциальный. Его принцип заключается в очень быстром нагреве топлива с помощью лазеров: в результате процесса плазма удерживается в сжатом состоянии под действием собственных сил инерции. Технологии для практического применения этой концепции находятся в стадии разработки, а площадкой для создания установки для демонстрации возможностей лазерного термоядерного синтеза станет научно-исследовательский институт «Росатома» в Сарове Нижегородской области.

Одна из ключевых задач не только российской, но и мировой термоядерной энергетики – решение проблемы первой стенки. Дело в том, что от соприкосновения с плазмой стенка токамака значительно изнашивается из-за тепловой нагрузки. Российские ученые предлагают использовать жидкометаллическую литиевую защиту, которая позволит отражать тепловой поток. Постепенное испарение лития можно компенсировать при помощи подачи нового через специальный испускатель.

Сейчас технологию тестируют на опытном токамаке Т-11М, аналогичные испытания планируются и на Т-15МД. По мнению Аникеева, это новшество – одно из самых значительных изобретений в термоядерной энергетике последних лет.

В ходе термоядерного синтеза образуются в том числе нейтроны, именно они помогают генерировать энергию. Чтобы изучить их поведение, а также испытывать элементы и материалы будущих реакторов, российские ученые планируют использовать компактный источник нейтронов. Один из методов его создания – при помощи плазменного ускорителя дейтериевой плазмы – сейчас используют для разработки устройства в научном институте «Росатома» в Троицке.

Токамак будущего

Реализовать все имеющиеся знания и опыт российской и мировой науки в сфере термоядерной энергетики планируется в токамаке с реакторными технологиями (ТРТ). Его возведут на территории научного института «Росатома» в Троицке (Новая Москва); общая площадь комплекса составит 88 500 кв. м. Помимо возведения новых объектов проект подразумевает модернизацию имеющегося термоядерного комплекса с экспериментальными установками ТСП (токамак с сильным полем) и Т-11М. Сейчас уже разработан эскизный проект, создается необходимая инфраструктура. Основные компоненты ТРТ планируется собрать к 2030 г.

Технологическим новшеством в ТРТ станет электромагнитная система, созданная из высокотемпературных сверхпроводников второго поколения ВТСП-2. В отличие от предшественников, их можно охлаждать не жидким гелием (-267 градусов Цельсия), а жидким азотом (-196 градусов Цельсия), это более удобно для постоянного использования. Но главное то, что у магнитной системы на ВТСП-2 более высокое критическое магнитное поле. Это позволит сделать ТРТ более компактным, но с индукцией поля выше, чем в ИТЭР.

Ожидается, что в ТРТ плазма сможет разогреваться до 150 млн градусов. Для этого установку оснастят мощными гиротронами мегаваттного диапазона, работающими на частоте 230 ГГц, что соответствует тороидальному магнитному полю токамака 8 Тл. В ИТЭР с максимальным полем до 6 Тл используются гиротроны с частотой 170 ГГц.

По словам Аникеева, ТРТ позволит продемонстрировать работоспособность технологий, которые лягут в основу уже полноценно работающего термоядерного реактора. Практическое применение технологий, которые ученые получат в процессе создания и эксплуатации ТРТ, позволит обеспечить устойчивое развитие России до 2050 г. и далее.

Долететь к Марсу на плазме

Плазменные технологии, используемые в термоядерной энергетике, можно применять в космической индустрии – например, для создания мощного двигателя для освоения дальнего космоса. В конструкции современных ракет используются химические двигатели, работающие на горючем. Чтобы осуществить перелет к Марсу, таким кораблям требуется огромный объем топлива – с существующими технологиями разместить его проблематично. На помощь в этом вопросе придет плазма.

Технология использования плазменных двигателей не нова, она существует с 1960-х гг. Сейчас из-за малой мощности ее используют только для маневрирования спутников. Принципиально изменить ситуацию должен совместный проект Курчатовского института, «Росатома» и Центра Келдыша. Они создали плазменный ускоритель, который станет основой для будущего двигателя: прототип планируют сконструировать до конца 2024 г. Мощность агрегата в потоке должна составить 300 кВт, удельный импульс сможет достичь 100 км/с, тяга – 6 Н, а КПД превысить 60%.

По словам руководителя отделения плазменных технологий Курчатовского института Сергея Коробцева, плазменные двигатели сделают огромный шаг в сторону создания обитаемой станции на Луне и позволят в дальнейшем совершать полеты к планетам солнечной системы. Об этом ученый рассказал РБК. Однако в ближайшем будущем плазменные двигатели принесут пользу и для орбитальных полетов, отмечает Аникеев. Такие агрегаты помогут обеспечивать маневрирование и выводить на высокие орбиты тяжелые космические станции и тяжелые спутники.

Где это использовать на Земле

Разработка технологий для термоядерной энергетики делает их доступными не только для создания реакторов, но и для применения в других сферах. Например, лазер и плазму используют для создания прочных и устойчивых к коррозии материалов для авиации и медицины. Интерес для них представит находящаяся в разработке у научного института «Росатома» в Троицке промышленная установка для комплексной лазерно-плазменной обработки деталей. Она позволяет упрочнять конструкции с помощью плавления верхнего слоя с использованием плазмы и последующей лазерной обработки, создающей интенсивное давление в материале.

Огромные перспективы для промышленности имеют и сверхпроводники второго поколения, считает Аникеев. Их можно будет использовать не только для научных исследований, но и в разных областях, например в линиях электропередачи. Кроме того, магнитные катушки востребованы в медицине для создания томографов.

Гиротроны, используемые для нагрева плазмы, будут полезны для решения широкого круга фундаментальных и прикладных задач вне термоядерной энергетики, рассказывает заместитель директора нижегородского Института прикладной физики (ИПФ) РАН Михаил Глявин. По его словам, популярен запрос на скоростное микроволновое спекание диэлектрических материалов. Для медицины обсуждается возможность спекания высокопрочных зубных коронок или имплантов, для автомобильной промышленности – производство стекол с высокой прочностью и прозрачностью. Микроволновые технологии успешно опробованы для изготовления углеродосодержащих стержней защиты атомных станций.

С помощью мощного микроволнового излучения реализовано скоростное выращивание алмазных пленок и дисков, обратил внимание Глявин. Алмазные структуры необходимы для создания элементов нового поколения высокочастотной и радиационно стойкой электроники. Есть информация о проектах, ориентированных на микроволновое бурение сверхглубоких скважин для получения геотермальной энергии, то есть энергии от тепла Земли. Гиротроны могут представлять интерес и для медицинских приложений, в частности приборы интересуют онкологов, ищущих возможности селективного воздействия определенных частот на биологические объекты, для лечения злокачественных опухолей.

В Объединенном институте ядерных исследований в Дубне гиротронный комплекс будут использовать для получения интенсивных ионных потоков, необходимых в рамках проекта по обнаружению новых сверхтяжелых элементов таблицы Менделеева. «Наконец, в ряде обсуждений упоминались и совсем экзотические задачи — создание сверхмощных излучательных комплексов для запуска космических аппаратов или передачи сигнала внеземным цивилизациям», — рассказал «Ведомостям» Глявин. Ученый также отметил значительный экспортный потенциал технологий: сейчас на половине установок управляемого термоядерного синтеза по всему миру установлены гиротроны российского производства, а в дальнейшем они могут освоить и другие индустрии на зарубежных рынках, уверены в ИПФ РАН.