Укрощение сверхгорячей плазмы

Температура в десять раз выше, чем в центре Солнца, сильные магнитные поля, сверхпроводники, глубокий вакуум, сверхвысокие токи — все это нужно человечеству, чтобы обеспечить себя электроэнергией будущего.

Основной тенденцией развития общества с середины ХХ века стал непрерывный рост энергопотребления, связанный как с увеличением населения Земли и развитием промышленности, так и с быстро растущими потребностями стран третьего мира.

Справиться с таким ростом спроса на энергию за счет главных энергетических ресурсов — нефти и газа, по всем прогнозам, с каждым десятилетием будет все труднее: хотя запасы углеводородов еще очень велики, добывать их становится все дороже и дороже.

Наиболее привлекательным альтернативным источником энергии станет тот, который обеспечит одновременно и приемлемые экономические показатели, и высокую степень безопасности и экологической чистоты. Также важно, чтобы новые технологии в энергетике способствовали оздоровлению окружающей среды — и не только за счет минимизации потребления природных ресурсов, но и за счет перехода на новые принципы генерации и потребления энергии.

Все эти сложные задачи человечество может решить с помощью природоподобных технологий. Наиболее близкой к реализации, практическому использованию таких перспективных природоподобных инновационных энергетических технологий следует считать управляемый термоядерный синтез (УТС). Природоподобие УТС, как неоднократно подчеркивал в интервью президент Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" Михаил Ковальчук, состоит в том, что в земных условиях в установках с магнитным удержанием плазмы воспроизводятся те же процессы, что протекают на Солнце,— синтез легких атомов, при котором высвобождается огромное количество энергии.

Природоподобная технология УТС удивительна тем, что у нее практически нет недостатков. Первое, о чем следует сказать,— это неисчерпаемость ресурсов: нужны будут только морская вода и литий. В каждой трехтысячной молекуле воды место водорода занимает его устойчивый изотоп дейтерий, он отличается тем, что в его атоме помимо протона есть еще и нейтрон. Получить дейтерий в любых количествах не составит труда. Для УТС нужен еще тритий, нестабильный изотоп водорода, в котором нейтронов два. Период полураспада трития всего 12 лет, поэтому в воде его исчезающе мало, но тритий будет вырабатываться в необходимых количествах прямо в термоядерном реакторе из лития, а синтезировать его для запуска реактора не так уж и сложно. Наконец, литий — это достаточно однородно распространенный элемент в земной коре (по оценкам, его запасы составляют десятки миллионов тонн). Труднее извлекать литий из морской воды, зато там его запасы огромны: в литре — 0,17 мг.

Вторая особенность УТС обрадует экологов: реактор не вырабатывает углекислого газа, то есть производство энергии не будет усиливать парниковый эффект, как это делают тепловые электростанции.

Третья особенность УТС решительно отличает его от ядерной реакции, с помощью которой электричество вырабатывается на атомных станциях. Надо сказать, что дейтериево-тритиевая энергетика — естественное продолжение атомной: в обоих случаях генерируются нейтроны, а реакторные конструкции подвергаются активации. Но наведенная радиоактивность материалов термоядерного реактора достаточно низка, и эти материалы не представляют серьезной опасности. При УТС в принципе не может быть аварии, подобной Чернобылю или Фукусиме: всякое разрушение реактора приведет к его немедленной остановке, никакого разгона реакции не будет, и максимум, чего можно ожидать,— появления в окружающей среде небольшого количества короткоживущего трития. Эвакуация населения не потребуется.

Кроме работ, проводимых в Курчатовском институте в области УТС, направленных в конечном итоге на создание промышленной термоядерной электростанции, важным перспективным направлением является создание термоядерного источника нейтронов для гибридного реактора "синтез-деление". В гибридном реакторе с помощью термоядерных нейтронов с энергией 14 МэВ, образующихся в процессе реакций синтеза дейтерия и трития, можно будет производить топливо для тепловых атомных реакторов — уран-233 из тория-232, а также "дожигать" радиоактивные отходы из реакторов деления, то есть улучшать экологию существующей атомной энергетики.

Описанная технология УТС работает на токамаках (тороидальных камерах с магнитными катушками) — установках, принцип которых был предложен курчатовскими учеными Андреем Сахаровым и Игорем Таммом (Тамм в ИАЭ не работал) в начале1950-х годов. В Курчатовском же институте была построена и первая исследовательская установка ТМП (тор с магнитным полем) — в 1955 году под руководством Игоря Головина и Натана Явлинского. Игорь Головин стал и автором названия "токамак".

В 1955-1965 годах в Курчатовском институте было построено девять установок.

На установке Т-3А, усовершенствованной версии установки Т3, под руководством академика Льва Арцимовича в 1968 году была получена рекордная температура электронов — 1 кэВ (10 млн°C), а также впервые — термоядерные нейтроны.

В сентябре 1969 года в Дубне прошел международный симпозиум по тороидальным системам — он ознаменовался триумфом токамаков, после него токамаки стали основными устройствами для развития термоядерных технологий.

В 1978 году в Курчатовском институте на самом крупном в тот момент токамаке Т-10 при мощности электронно-циклотронного нагрева плазмы 2 МВт была впервые в мире получена плазма с электронной температурой в центре плазменного шнура 10 кэВ (100 млн°C) — такая, какая и ожидается в термоядерном реакторе.

В 1979 году в Курчатовском институте появился и первый в мире токамак T-7 со сверхпроводящей обмоткой тороидального поля — на основе ниобий-титанового сверхпроводника. Эта идея была развита на токамаке Т-15, одном из крупнейших в мире, который начал работу в 1988 году: он обладал сверхпроводящей обмоткой тороидального поля на основе ниобий-оловянного сверхпроводника с циркуляционным охлаждением. Благодаря успешной работе сверхпроводящей обмотки Т-15 в международном реакторе ITER будут также использоваться магниты с применением ниобий-оловянного сверхпроводника. Особенно важно, что Т-15 показал техническую возможность создания токамака со сверхпроводящей обмоткой с размерами и характеристиками, соответствующими требованиям уже промышленных энергетических термоядерных и гибридных установок.

В январе 2016 года программа "Развитие управляемого термоядерного синтеза и плазменных технологий на период 2019-2025 годов и на перспективу до 2035 года", инициированная в Национальном исследовательском центре "Курчатовский институт", получила одобрение президента России Владимира Путина. Вместе с госкорпорацией "Росатом" и организациями Российской академии наук Курчатовский центр к 2035 году создаст гибридную реакторную установку, в которой плазма с термоядерными параметрами будет удерживаться не менее 24 часов, к этому же году Курчатовский центр предложит проект промышленной термоядерной электростанции.

Курчатовский центр участвует от России в международном проекте ITER, идею его создания инициировал и всеми силами продвигал в 1980-е годы один из главных мировых специалистов в области УТС — академик Евгений Велихов. Задача ITER заключается в демонстрации возможности коммерческого использования термоядерного реактора и решении физических и технологических проблем, которые могут встретиться на этом пути. Должна быть получена плазма с выделением термоядерной мощности на уровне 500 МВт (затраченная мощность — 50 МВт).