Когда будет термояд? Интервью с инженером из ITER

Когда будет коммерческий термояд? Почему температура в реакторе должна быть в 10-20 раз больше, чем на Солнце? Какие проблемы сейчас на проекте? Интервью с инженером и ученым Виталием Красильниковым, работающим в ITER более 10 лет.

Виталий родом из подмосковного Троицка. В данный момент находится во Франции под Марселем в непосредственной близости от главной стройки, где курирует разработку нескольких нейтронных диагностик.

— Скажи, пожалуйста, в чем основная фишка термояда?

Я бы две фишки назвал. Во-первых, на входе у нас, по сути, безлимитное топливо. Топливо для той термоядерной реакции, о которой мы сегодня говорим, дейтерий и тритий — изотопы водорода. Дейтерий доступен в мировом океане, его можно выделять из морской воды. Тритий в природе не встречается. У него короткое время полураспада. Но его можно производить из лития. Это деньго- и трудозатратно, но это тоже, можно сказать, бесконечное топливо.

Вторая особенность термояда – на выходе у нас нет ядерных продуктов реакции. То есть нет тех отходов, которые производит, например, атомная энергетика. На выходе термоядерной реакции – гелий.

— Почему до сих пор нет реактора, который давал бы полезную энергию?

Это хороший большой и сложный вопрос. Проблема в трудностях организации самого процесса реакции. Как сделать такую установку, которая в достаточном объеме произвела бы необходимое количество реакций и тем самым произвела бы необходимое количество энергии? Токамаки начинались с каких-то настольных приборов, переходили в комнатные, потом занимали половину здания. И сейчас мы строим токамак размером с семиэтажное здание. Размеры растут. Это важно.

Для того, чтобы пошла реакция, нам нужно некую субстанцию — назовем это газом, а на самом деле это плазменное образование — нагреть до очень высоких температур. При таких температурах никакие стенки не смогут выдержать. Поэтому нам нужно ее удерживать другими способами. Была создана конфигурация с удержанием плазмы магнитным полем.

Представьте какую-то полоску воды. Вы снизу дуете струйками воздуха и пытаетесь ее удержать. А гравитация эту воду пытается прижать к земле.

Это очень сложно сделать. Вода постоянно будет стараться искать где-то лазейку. Так и плазма. Потому что веществу неудобно, невыгодно находиться в каком-то энергетическом состоянии. Ему всегда хочется остыть, отдать свою энергию, успокоиться. А мы, наоборот, пытаемся удержать этот процесс, этот огонь, чтобы он горел и давал нам пользу.

Ну и просто из-за технических, физических в том числе, сложностей самого процесса.

— На Солнце идут те же самые термоядерные реакции — горит водород, синтезируется гелий — но нам нужно достичь температур в 10-20 раз больше, чем на Солнце. Почему?

Я могу ответить шуткой: солнце неэффективно, мы строим что-то более эффективное.

В этом есть доля правды. Зачем нам нагревать именно до той температуры, о которой говорится? На этих энергиях имеется пик сечения взаимодействия дейтерия и трития. При таких температурах наибольшая вероятность реакции этих двух изотопов. Если температура ниже, они летают мимо друг друга и не реагируют. Если температура выше, они слишком горячие, и тоже пролетают мимо. Так получилось в природе, что, если вещества имеют эту температуру, у них максимальное количество реакций происходит.

- Чем крут ITER кроме того, что это самый большой токамак?

Всем. Куда ни посмотри, в ITER практически все уникальное, все впервые в мире. Это огромная вакуумная камера. Мощнейшая система нагрева. Мощнейшая система охлаждения для магнитных систем. Это самый крупный в мире криогенный комплекс. Это со всех уникальный проект: от организации процесса, от административной стороны, когда семь партнеров объединились и строят вместе. И сам проект так организован, что центральная команда находится здесь, а производство компонентов установки происходит в разных уголках планеты, вплоть до того, что похожие компоненты изготавливаются в разных странах, как, например, элементы вакуумной камеры — в Корее, в Европе и в России. Для чего это сделано? Для того, чтобы каждый партнер получил опыт строительства таких компонентов.

Если со стороны физики посмотреть, принципиальное отличие от предыдущих установок в том, что в ITER планируется осуществить контролируемое горение. Что подразумевается под этим термином? Горение — это когда ты в огонь положил дрова, и он сам горит, ему ничего не нужно. Так же и в плазме. Если ты создал ей какую-то конфигурацию, то она сама себя может поддерживать. Она сама производит достаточное количество энергии для того, чтобы поддерживать свою температуру на том же уровне и продолжать находиться в этом квазистационарном состоянии.

До этого все предыдущие токамаки, включая ныне действующие, выходили на мощность порядка единицы-полтора. Это коэффициент полученной мощности к затраченной, то есть, когда мы получаем энергии столько же либо чуть-чуть больше, чем затратили. И это уже горение, но оно происходило доли секунды или порядка нескольких секунд.

В ITER предполагается 500-секундный разряд с коэффициентом выхода 10. То есть мы получаем в 10 раз больше энергии, чем затрачено на нагрев плазмы.

- Из каких основных элементов состоит токамак? И на что еще там тратится энергия, кроме нагрева плазмы?

Для сначала нужно создать вакуум, поместить в него смесь дейтерия и трития и создать магнитное поле, мощное магнитное поле, которое сделает первоначальный нагрев, разгонит частицы по токамаку и нагреет их. Этого омического нагрева магнитным полем недостаточно. Есть три основных способа дополнительного нагрева. Это ион-циклотронный, электрон-циклотронный и нейтральная инжекция.

Ион-циклотронный и электро-циклотронный — это что-то, похожее на микроволновую печь, когда у нас волнами разогреваются частицы, будь то электроны или ионы. А нейтральная инжекция — тут название говорит само за себя: мы впрыскиваем пучок нейтральных частиц в плазму с огромной энергией, они там ионизируются и дальше греют саму плазму.

Это основные компоненты. Создать вакуум, создать магнитное поле — и три способа дополнительного нагрева.

- А как будет работать реактор? Это какие-то периоды-вспышки в несколько минут, когда плазма зажигается, потом затухает, потом все повторяется?

Именно так. Установка токамак, про которую мы сегодня говорим, тороидальная камера с магнитной катушкой — это принципиально импульсная установка. Импульс может быть очень долгим. 500 секунд, про которые мы говорили чуть ранее — это работа установки с высокой мощностью. Еще предполагаются режимы на 3 000 секунд с чуть более низкой мощностью. Но это в любом случае ограниченное время.

Почему? Потому что вихревое магнитное поле, которое создается в токамаке, создается путем наращивания тока через соленоид. У нас поле создается, когда изменяется ток. Мы, например, его увеличиваем — и поле закручивается. То есть не просто ток идет и поле появляется, а именно увеличивается.

Любую величину невозможно увеличивать бесконечно. Мы можем только от сих и до сих увеличивать. Если бы можно было поддерживать ток стабильным, то мы бы могли его поддерживать. Но поскольку это поле создается путем увеличения тока через соленоид, оно принципиально может создаваться ограниченное время.

- Каким образом будет сниматься энергия с токамака?

Существует несколько подходов. Первый — аналогичный с атомными станциями, когда мы банально греем воду. Реактор производит гелий и нейтроны. Нейтроны прекрасно взаимодействуют с водой. У них огромное сечение взаимодействия с водородом. Можно «обложить» реактор достаточным количеством воды. Она замедлит нейтроны и защитит от них, и сама нагреется. Дальше — турбина или всевозможные способы применения энергии воды.

Есть еще альтернативные способы. Поскольку у нас есть источник нейтронов, можно обложить установку ураном — это я очень условно говорю; не просто обложить, а ввести в уравнение уран — тогда нейтроны будут реагировать с ураном, производить атомную реакцию и у нас получится гибридный реактор, термоядерный и атомный в одном флаконе.

Можно еще — и это предполагается — иметь некие полости с литием и использовать эти же нейтроны для производства трития из лития.

- Насколько сложнее постройка токамака в сравнении с типичным ядерным реактором? Их вообще можно сравнивать?

Нынешние атомные реакторы — достаточно отработанная технология. У них сменилось несколько поколений. Если надо построить очередную атомную станцию — вот она под ключ. Устанавливаем — работает.

А тот проект, который сейчас — это экспериментальный реактор. Есть теоретические предпосылки, есть предположения, как это все будет работать, но реактор экспериментальный. Может выясниться (теоретически) какая-то новая физика, которую раньше не предполагали. Это раз.

Дальше — по периферии, по всем инженерным конструкциям, у нас во многих компонентах используются не просто передовые из того, что существует, а по многим системам делается шаг вперед в принципе: до этого такого не существовало, для ITER это понадобилось – и разрабатываем то, чего раньше не существовало. Это очень наукоемкое предприятие по всем областям: и по научным, и по технически-инженерным и связанными с этим процессам, начиная от стали и заканчивая лазерами и зеркалами.

- Для маленьких токамаков технологии существовали, а для больших их надо переосмыслять?

Доосмыслять. Приведу пример. У нас есть токамак. У нас есть этот вакуумный «бублик». Есть какие-то приборы, датчики давления, какие-то диагностики, магнитные провода где-то внутри. Нужно что-то измерять, нужно контролировать процесс.

Возьмем провод. Он в вакууме и под радиацией. Он под огромной температурой. И он под электромагнитным полем. Возможно, в космосе подобное может иметь место – для космических кораблей. Но там радиация намного меньше. Температуры — да, в сопле высокие температуры. Но нет магнитного поля.

То есть здесь сошлись жесткие требования по многим направлениям: радиационные, электромагнитные, тепловые и механические — которые нигде до этого у человечества не возникали одновременно.

- К 2025 году в ITER планируют получить первую плазму. Вы в графике? Почему выход на полную мощность запланирован лишь на 2035 год?

Есть плохая новость. Ковид не мог не сказаться на графике. Здесь, в центральной команде, и в домашних агентствах работа продолжалась. Лишь некоторые заводы были остановлены на несколько месяцев. Тем не менее, люди болели. И незамеченным это все не прошло. Поэтому совет ITER несколько месяцев назад утвердил новые планы. Первая плазма сдвинулась с 2025 на 2027 или 2028 год.

Вообще весь проект будет использоваться в так называемых четырех фазах: первая плазма, предъядерная работа часть первая, предъядерная работа часть вторая и выход на полную мощность.

Что такое первая плазма? Это физический пуск. В нем не будет нейтронов. Не будет никакого ядерного выхода. Там будет использоваться другое топливо, которое само по себе не горит. Это будет просто водород. Водород, гелий. То, что не производит нейтрон. Никакой активации не будет. Мощность нулевая. Просто запустить.

Какую аналогию можно привести? Вот у вас двигатель в машине. Вы его собрали с нуля. И надо просто покрутить стартером. Не давать пока что топливо. Он закрутился — и ничего не рассыпалось. Это уже очень хорошо.

Также и ITER. Первая плазма будет означать, что вакуумная камера держит вакуум, магнитная система создает магнитное поле, системы омического нагрева заработали и криогеника — все вспомогательные системы заработали, то есть можно делать шаг дальше. Это первый шажок, показывающий, что инженерная часть вся заработала.

Это будет длиться примерно полгода. Шесть месяцев компания по первому пуску, выяснению всех режимов.

Дальше машина останавливается и дорабатывается. Доустанавливаются системы, диагностики, системы нагрева.

И потом около 10 лет безнейтронная эксплуатация. То есть выход на большую мощность нагрева, выход на более высокое магнитное поле, выход на более высокую плотность плазмы. Но, опять же, с топливом, которое не производит нейтроны. Машина не активируется. Здание не активируется. Люди могут входить в здание, когда установка остановлена. Тем самым отрабатываются все режимы, уже даже самые мощные, но на топливе, которое не производит нейтроны, которое не активирует все вокруг.

И потом — кампания по использованию уже с дейтерием и дейтерий-тритиевой смесью, то есть с топливом, которое производит нейтроны. Опять же, начиная со средних мощностей. И через года два-три выход на планируемые максимальные мощности. А дальше — эксперименты с максимальной мощностью.

- Возможно ли, что какие-то коммерческие термоядерные проекты будут разрабатываться параллельно с экспериментами на ITER?

Думаю, что очень вероятно. Азиатские страны, мы видим, очень в этом заинтересованы. Уже сейчас строятся системы крупного размера, которые будут отрабатывать разные особенности, например, выход на долгие разряды, поддержание высокой мощности на длительное время. Это принципиально важно для коммерческого реактора.

И я думаю, что параллельно с ITER будут и должны строиться машины, установки коммерческие или околокоммерческие, уже с положительным выходом.

- Не получится ли так, что они опередят ITER?

Может ли Китай построить какую-то коммерческую или просто установку следующего шага до ITER и раньше? Да, и это будет здорово. И отлично, если Китай это сделает или кто-либо другой.

Тут нет какой-то конкуренции. Она есть, конечно, психологическая: «Мы первые — они первые». Но в целом мы делаем это для человечества. И, работая здесь, ты постоянно пересекаешься со всеми национальностями, с гражданами разных стран практически со всей планеты. Никто на себя одеяло не перетягивает. И, если кто-то начинает это делать, это выглядит глупо. Мы работаем вместе на благо человечества. Это очень ощущается.

Допустим, Китай или Корея построили свою машину, которая заработала также, как ITER. Отлично. Но вот Корея это сделала. А в России нет доступа туда. У Японии нет доступа. У США нет. У Европы, Франции, Германии нет туда доступа.

По крайней мере, ITER как бы общий, но в то же время он свой для каждого из партнеров. В плане того, о чем мы говорили, что каждый из партнеров имеет доступ к полному объему информации и ноу-хау, ко всем чертежам, ко всем моделям и так далее. Каждый партнер имеет полное право взять это и при желании построить у себя. Это часть идеологии проекта.

Мы уже говорили, что одной стране это будет проще, в чем-то дешевле. Но, если даже это в два раза дешевле, как я уже говорил, давайте посчитаем — Европа вкладывает 40%, остальные партнеры по 9%. То есть Россия платит 9%. Если строить такой же проект самим, даже если он в два раза дешевле выйдет, то это все равно в пять раз больше затрат чем сейчас.

- Такой вот любопытный вопрос: а как вообще в непосредственной близости друг от друга могут располагаться самая горячая точка в галактике в 100-150 млн градусов и самая холодная?

Специальные материалы, специальная теплоизоляция одного от другого. На расстоянии примерно шести метров действительно будет две точки: одна — самая горячая в галактике, вторая — самая холодная. Самая холодная — это 4 К (-269 0С). И самая горячая, надеемся — 100-150 млн градусов.

Для чего нужна холодная температура? Для проводника, из которого намотаны катушки, которые создают магнитное поле. Эти катушки переходят в режим сверхпроводимости. В них уменьшаются потери. Поэтому мы можем гонять по ним огромный ток без потерь.

Катушка диаметром примерно 3-5 см упаковывается в пакет теплозащиты. Потом еще теплозащита. В итоге получается кубик примерно 1,5 метра – из проводника и теплозащиты.

- Хочу спросить про людей. У вас же интернациональная команда, но, наверное, большинство французы?

Французов в проекте много, четверть или треть. Какой-то статистики нет. Может, она есть, но я не знаю. А остальных примерно по 7-10%: Россия, США, Индия, Япония, Корея, Китай. Европа вкладывает 40%. Имеется в виду и финансовый вклад, и натуральный вклад, в том числе люди. Из Европы — большинство. Наиболее представлены французы, испанцы, немцы, Северная Европа, Польша, Румыния.

Все общаются, работают.

- Насколько хорошо финансируется проект? Каковы зарплаты в сравнении с другими институтами или проектами? И какова разница со среднеевропейской зарплатой? Это хорошо оплачиваемая работа?

Да, скорее, хорошо оплачиваемая. Естественно, есть градация от начального уровня работников до дирекции. Это все открытая информация, она есть на сайте проекта. Разница в зарплатах в два или в три раза.

Наверное, для России нормально, когда в 100 раз у директора выше зарплата, чем у уборщицы. Но здесь — нет. У директора в четыре раза выше зарплата, чем у уборщицы. Или в три. Примерно так.

Однако надо понимать, что и расходы высокие: цена аренды жилья, цена топлива – машину заправить, цена еды — цена всего примерно в 1,5-2 раза выше. Просто сходить в продуктовый магазин здесь дороже.

Второй момент, что ты в отрыве от своей страны. И это накладывает некоторые ограничения. Например, нужно решать какие-то жилищно-коммунальные вопросы. Кран потек. И если где-то в Троицке я знал, где дядю Васю позвать, и за условные 200 рублей он кран бы починил, то здесь ты обращаешься к каким-то официальным фирмам, которые всегда дороже. Помните, в советское время было, что «цена для иностранца другая». Может быть, в Париже, где много иностранцев, это нормально, а здесь в деревне иностранцу жить дороже.

И еще французская налоговая система и социальная система очень нацелены на поддержку и уравнивание. Если у тебя низкая зарплата — меньше 2 000 евро чистого дохода в месяц, например 1 500 или 1 000 — то тебе государство очень сильно поможет со всеми расходами, начиная от билетов на еду, на продукты, заканчивая тем, что если у тебя дети, то школа будет либо дешевле, либо бесплатно, всякие субсидии на ЖКХ.

Для нас этого всего нет. У нас высокая зарплата и высокие расходы.

- Скажи, пожалуйста, ты сам веришь, что мы когда-нибудь увидим коммерческий термояд?

У меня нет сомнений, что термояд когда-либо будет. Вернее, у меня нет сомнений, что термояд осуществим в коммерческих масштабах. В форме токамака или в какой-то другой форме, в форме стелларатора или в какой-то конфигурация пинча, или что-то еще, или вообще открытые ловушки. Так или иначе человечество рано или поздно найдет способ коммерчески эффективно эту энергию приручить. Если только захочет.

- Если для ITER удвоить ресурсы, финансирование, ускорит ли это процесс?

Строительство пойдет быстрее. Но не думаю, что вдвое. Здесь приходит на ум притча о девяти беременных женщинах, которые не сделают ребенка через месяц. То есть часть проектов можно ускорить, наняв больше людей, распределив задачи. Но часть процессов имеют свою скорость. Добавив людей, эта скорость увеличится незначительно.

- Какие сейчас есть проблемы в достижении этой цели, в строительстве?

Помимо его сложности и размеров мешает много факторов. Один, который приходит на ум моментально, то, с чем сталкиваешься каждый день — распределенность. Это и плюс проекта, это его особенность, и это его отрицательная часть. Есть центральная команда, есть коллективы в домашних агентствах в разных странах, говорящие на разных языках. И, если бы, например, такой проект строила одна страна — предположим, Россия — он бы намного дешевле обошелся и построился быстрее. Или Япония. Или Штаты. Или Корея. Если бы одна страна строила, точно было бы дешевле и быстрее. Может быть, что-то не получилось бы. Но, так или иначе…

Почему? Потому что есть проблема с взаимопониманием. Язык, менталитет. Даже если ты правильно перевел предложение, оно корректно написано — не факт, что его правильно поймут. И поэтому все рабочие моменты приходится обсуждать не с полуслова, а, наоборот, по два-три раза. Чтобы правильно поняли. Потом поставщики показывают, что они сделали. И, опять же, это все нужно разжевывать, как детям практически.

- А есть ли проблемы с бюрократией в ученой среде, на проекте?

Мне трудно это судить. Они везде есть. Да, наверное.

- Как ты думаешь, в каком примерно году появятся коммерческие реакторы?

Я стараюсь об этом не думать. Если серьезно, то, наверное, где-то в районе 2050-2060 года. С тем темпом, который сейчас идет. Мы старались политику не обсуждать. Но темпы в разные годы разные. И иногда кажется, что все идет к ускорению, иногда кажется, что все пойдет к замедлению.

Но если продолжится какая-то похожая тенденция, то прицел на 2050-2060-е годы.

Я думаю, что темп через 10-20 лет изменится. В районе 2030-го мы можем увидеть, что темп увеличится и, возможно, к 2040-ому увидим коммерческие станции. По крайне мере, после 2030-х, когда ITER, я надеюсь, будет работать в полную термоядерную мощность, будет уверенность, что эта технология работает. И тогда многие государства заинтересуются в применении этой технологии у себя.