Термоядерный реактор ITER: рукотворное Солнце для снабжения Земли энергией

Euronews побывал на необычной стройке: во французском Провансе учёные и инженеры создают крупнейший реактор ядерного синтеза, чтобы получить энергию от реакции, питающей Солнце и другие звёзды.

By Aisling Ní Chúláin

В самом сердце Прованса лучшие ядерщики мира трудятся над одним из самых амбициозных энергетических проектов в истории.

"Мы строим, пожалуй, самую сложную машину из всех, что когда-либо видело человечество", – признаётся Лабан Кобленц, представитель ITER.

Задача международной команды состоит в том, чтобы продемонстрировать возможность использования ядерного синтеза – той же реакции, которая питает энергией Солнце и все другие звёзды, – в промышленных масштабах.

Для создания условий, необходимых для протекания контролируемого термоядерного синтеза, на юге Франции, в 65 км от Марселя, строится крупнейшая в мире установка магнитного удержания плазмы или токамак (тороидальная камера с магнитными катушками).

Соглашение о проекте Международного термоядерного экспериментального реактора (ITER) было официально подписано в 2006 году США, ЕС, Россией, Китаем, Индией и Южной Кореей в Елисейском дворце в Париже.

В настоящее время более 30 стран сотрудничают в создании экспериментального устройства, которое, по прогнозам, будет весить 23 000 тонн и выдерживать температуру до 150 миллионов градусов Цельсия.

"В каком-то смысле это похоже на национальную лабораторию, крупный исследовательский институт. Но на самом деле это объединение национальных лабораторий 35 стран", – сказал Кобленц, глава отдела коммуникаций ITER, в интервью Euronews Next.

Как происходит ядерный синтез?

Ядерный синтез – это процесс, при котором два лёгких атомных ядра сливаются в одно более тяжелое, что приводит к мощному выбросу энергии.

В случае с Солнцем атомы водорода в его ядре буквально сплавляются под действием чудовищного давления.

Мы и раньше сталкивались с трудностями, просто из-за сложности и множества уникальных материалов, уникальных компонентов в уникальной машине.

 Лабан Кобленц, глава отдела коммуникаций ITER.

Тем временем здесь, на Земле, изучаются два основных метода получения термоядерного синтеза.

Первым занимаются в Национальном комплексе лазерных термоядерных реакций США (NIF).

"Вы берете очень, крошечную топливную "таблетку" – размером с перчинку – двух изотопов водорода: дейтерия и трития. И "стреляете" в них из лазерной установки. Таким образом, вы сжимаете давление, а также добавляете тепло, и получается взрыв энергии, E = mc². Небольшое количество материи преобразуется в энергию", – поясняет Лабан Кобленц.

Проект ITER сосредоточен на втором возможном пути: термоядерном синтезе с магнитным удержанием.

"В этом случае мы используем огромную камеру объёмом 800 м³ и помещаем в неё небольшое количество топлива – от 2 до 3 г дейтерия и трития – и нагреваем эту смесь до 150 миллионов градусов с помощью различных систем нагрева, – говорит Кобленц. – Это температура, при которой скорость частиц настолько высока, что вместо того, чтобы отталкиваться друг от друга своим положительным зарядом, они объединяются и сплавляются. А когда они сливаются, это даёт альфа-частицу и нейтрон". 

В токамаке заряженные частицы удерживаются магнитным полем, за исключением высокоэнергетических нейтронов, которые вылетают и ударяются о стенки камеры, передают своё тепло и тем самым нагревают воду, протекающую за стенкой.

Теоретически энергию можно было бы получить из образующегося пара, приводящего в движение турбину.

"Это, если хотите, преемник длинного ряда исследовательских устройств", – пояснил Ричард Питтс, руководитель секции научного отдела ITER.

"Физика токамаков изучается уже около 70 лет, с тех пор как первые эксперименты были проведены в России в 1940-50-х годах", – добавил он.

По словам Питтса, ранние токамаки представляли собой небольшие настольные устройства. "Затем, постепенно, они становились всё больше и больше", – добавил он.

Преимущества термоядерного синтеза

Атомные электростанции существуют с 1950-х годов, используя реакцию деления, при которой атом расщепляется в реакторе, выделяя при этом огромное количество энергии.

Преимущество деления в том, что это уже проверенный и испытанный метод: сегодня в мире работает более 400 ядерных реакторов для организации управляемой, самоподдерживающейся цепной реакции деления.

Но хотя ядерные катастрофы в истории случались нечасто, взрыв на 4-м энергоблоке Чернобыльской АЭС в апреле 1986 года стал убедительным напоминанием о том, что риски существуют.

Более того, остро стоит проблема захоронения радиоактивных отходов.

Специалисты ITER отмечают, что термоядерная установка аналогичного масштаба будет вырабатывать энергию из гораздо меньшего количества химических веществ – всего нескольких граммов водорода.

Кроме того, отмечает Лабан Кобленц, в термоядерной установке используются дейтерий и тритий, а на выходе образуется нерадиоактивный гелий и нейтрон. 

Проблемы ITER

Проблема термоядерного синтеза, подчеркивает Кобленц, заключается в том, что эти подобные реакторы по-прежнему чрезвычайно сложно построить.

"Вам нужно довести температуру до 150 миллионов градусов. Вам нужна огромная камера и так далее. Это просто трудно сделать", – говорит он.

Первоначальный график проекта ITER предусматривал 2025 год в качестве даты запуска первой плазмы, а полный ввод системы в эксплуатацию был запланирован на 2035 год.

Однако сбои в работе компонентов и задержки, связанные с пандемией COVID-19, привели к сдвигу сроков и увеличению бюджета.

В начале пути (iter - "путь" на латыни) смета проекта составляла 5 миллиардов евро, но теперь она выросла до более чем 20 миллиардов.

"Мы и раньше сталкивались с трудностями, просто из-за сложности и множества уникальных материалов, уникальных компонентов в уникальной машине", – объясняет Кобленц.

Одна из существенных неудач была связана с несоответствием сварочных поверхностей сегментов вакуумной камеры, изготовленных в Южной Корее.

Кобленц говорит, что в настоящее время команда TER занята новыми расчётами, в надежде как можно ближе подойти к намеченному на 2035 год сроку начала термоядерных операций.

"Вместо того чтобы сосредоточиться на том, что мы должны были сделать до первой плазмы, первого испытания машины в 2025 году, а затем успешно пройти серию из четырёх этапов, чтобы получить термоядерную энергию в 2035 году, мы просто пропустим первую плазму. Мы позаботимся о том, чтобы эти испытания были проведены другим способом", – сказал он.

Термоядерный мир

Что касается международного сотрудничества, ITER противостоит ветрам геополитической напряжённости между многими странами, участвующими в проекте.

Чем дольше мы ждем, пока произойдет термоядерный синтез, тем больше он нам нужен. Поэтому самое разумное решение - запустить его как можно скорее.

 Лабан Кобленц, глава отдела коммуникаций ITER.

"Страны-участницы, очевидно, не всегда идеологически едины. При этом они взяли на себя 40-летнее обязательство работать вместе. И никогда не будет уверенности в том, что конфликтов не возникнет", – отметил Кобленц.

Учёный считает, что мирное сосуществование держав в рамках проекта объясняется тем, что запуск ядерного синтеза – это мечта многих поколений учёных.

Изменение климата и чистая энергия

Учитывая масштабы проблемы, связанной с изменением климата, неудивительно, что учёные пытаются найти источник энергии, не содержащий углерода.

Но до стабильных поставок термоядерной энергии ещё далеко, и даже ITER признаёт, что нынешний проект – это долгосрочный ответ на проблемы со снабжением и экологией. 

В ответ на мнение о том, что термоядерный синтез слишком поздно придёт на помощь в борьбе с климатическим кризисом, Кобленц утверждает, что термоядерная энергия может сыграть свою роль и в будущем.

"А что, если уровень моря действительно поднимется настолько, что нам понадобится энергия для перемещения городов? ", – прогнозирует учёный.

"Чем дольше мы ждём, пока произойдёт термоядерный синтез, тем больше он нам нужен. Поэтому самое разумное решение – запустить его как можно скорее", – резюмирует он.