Петербургские ученые создают термоядерный реактор в Европе (фото)

К 2050 году на Земле может появиться атомная станция с термоядерным реактором, который, в отличие от существующих АЭС, сможет вырабатывать в 3,5 раза больше энергии при меньшем объеме ядерного топлива. Экспериментальный реактор стоимостью 16 млрд евро (817 млрд рублей) сейчас строят во Франции, Россия вкладывает в него по 5 млрд рублей в год. Ученые убеждены, что «энергия будущего» поможет снять зависимость от нефти и газа. Насколько это возможно, «Фонтанка» узнала у участников конференции МАГАТЭ, которая проходит в Петербурге.

В Петербурге 13 октября началась Международная конференция по энергии термоядерного синтеза, организованная Международным агентством по атомной энергии (МАГАТЭ) и правительством России при поддержке госкорпорации «Росатом». В ней принимают участие около 750 представителей 45 государств, среди которых представителей России — 180 человек. Большую часть проектных работ с российской стороны выполняют ученые петербургских физических институтов.

Предметом обсуждения стал проект создания первого в мире экспериментального термоядерного реактора, который сейчас строится в исследовательском центре «Кадараш», расположенном на юге Франции, в 60 км от Марселя. Его идея состоит в том, чтобы изучить возможность производства электроэнергии за счет соединения атомов, а не их распада, как сейчас работают все атомные станции в мире. Предполагается, что термоядерному реактору потребуется в несколько раз меньше топлива, чем сейчас требуется ядерному реактору, а в результате будет выпущено энергии в несколько раз больше.

Атомные станции вырабатывают электроэнергию за счет разделения атомов урана, который, в свою очередь, содержится в руде. Россия считается третьей в мире по запасам руды, основные месторождения расположены в республике Саха, в Якутии. Термоядерный реактор будет работать за счет другого ядерного топлива — изотопа водорода, который называется дейтерий, и изотопа водорода под названием тритий. Дейтерий содержится в воде, а тритий вырабатывается путем облучения лития. Водоемы есть практически в каждой стране, а вот почти 50% мирового лития производят в Чили и Аргентине — его добывают из озерных солей. Остальные месторождения лития распределены между Боливией, США, Конго, Китаем, Бразилией, Сербией и Австралией. На конференции прозвучало мнение, что запасов лития хватит на всех, однако некоторые ученые ранее в этом сомневались.

В проекте создания термоядерного реактора с 1985 года участвовали объединенная Европа, США, Япония, Советский Союз. Инициатива по реализации проекта принадлежала СССР, где был изобретен и разработан первый в мире токамак (тороидальная камера с магнитными катушками). Свою термоядерную программу развивали и в США. Впоследствии к проекту присоединились Китай, Индия и Южная Корея. Каждая страна предлагала свой участок для строительства реактора. Россия, например, предлагала землю в Сосновом Бору (Ленобласть), где находится Ленинградская атомная станция и сейчас строится ЛАЭС-2, и подмосковный город Троицк, где расположен институт инновационных и термоядерных исследований. Однако представители Европы, в частности, Франции оказались самыми настойчивыми и пускали в оборот все возможные средства, в том числе включали политику. По словам собеседников «Фонтанки», бывший до 2007 года президентом Франции Жак Ширак даже звонил президенту РФ Владимиру Путину, чтобы попросить его о поддержке. Желание европейцев было понятно, у них нет нефти и газа, за исключением Норвегии и нескольких северных стран.

Страны – участники проекта договорились направлять на стройку не деньги, а оборудование. Общая стоимость строительства оценивается в 16 млрд евро (817 млрд рублей). Правительство России выделяет по 5-6 млрд рублей в год, которые Росатом распределяет между проектировочными институтами и заводами. В дальнейшем выпущенные изделия направляют во Францию, где стройка сейчас находится на уровне фундамента, на сооружение которого потребовалось 150 тыс. тонн бетона и 16 тыс. тонн арматуры. Вес реактора составит 360 тыс. тонн. Он будет представлять собой вакуумную камеру в форме пустотелого бублика диаметром 30 метров, окруженную сверхпроводящими магнитами, создающими в ней магнитное поле. Внутри реактора будет температура 150 млн градусов (для сравнения — на Солнце температура около 15 млн градусов). Материалы реактора должны будут выдержать эту температуру, для охлаждения потребуется 33 тыс. кубометров воды в день. Для производства 500 МВт энергии реактору потребуется на входе 50 МВт.

Анатолий Красильников, директор учреждения «ИТЭР-Центр», подведомственного Росатому, занимающегося управлением проектом строительства реактора с российской стороны, по просьбе корреспондента «Фонтанки» привел цифры, которые бы раскрывали разницу между получением энергии в ядерном реакторе (на атомных станциях) и на термоядерном реакторе.

По его словам, в ядре урана 235 или 238 нуклонов (это общее название элементарных частиц — нейтронов и протонов, которые содержатся в уране). При разделении ядра урана выделяется мощность 200 мегаэлектронвольт (МэВ). Получается, что один нуклон дает энергию примерно 1 МэВ. В случае с термоядерным топливом, у дейтерия два нуклона, у трития — три. Пять нуклонов, которые они дают в сумме, при соединении вырабатывают энергию мощностью 17,5 МэВ. Получается, если сравнивать таким образом, термоядерный реактор окажется в 3,5 раза мощнее при том же количестве ядерного топлива.

«Я сделал сравнение как физик или как математик. Есть точка зрения, согласно которой энергии в термоядерном реакторе будет выделяться в 100 раз больше. Но объяснение этой цифры происходит из инженерной области, где учитывается масса реактора и другие параметры. Я за это отвечать не могу. Все же мне кажется, что лучше всего сравнивать по другим критериям. Безопасность, доступность топлива, его неисчерпаемость. Кроме того, не стоит забывать, что многие войны в мире происходят из-за борьбы за месторождения, так как полезные ископаемые неравномерно распределены между государствами. С созданием термоядерной энергетики исчезнет предмет для международных конфликтов», — считает Анатолий Красильников.

Предполагается, что реактор во Франции будет построен в 2020 году. В 2021 году планируется начать опыты с выделением энергии из обычных водородов. В 2027 году ученые хотят начать использовать в качестве топлива дейтеро-тритиевую смесь. В планах в 2040-2050 годах построить первую в мире коммерческую термоядерную атомную станцию, которая будет снабжать электроэнергией ближайшие территории. Где она будет находиться, впрочем, никто не знает. Это еще не обсуждалось. По крайней мере, в России обсуждается возможность строительства пока лишь экспериментального реактора (как во Франции) приблизительно к 2030 году.

Глава «ИТЭР-Центра» рассказал также о проблемах, с которыми сталкивается ученая мысль при ее воплощении. Изначально реактор хотели построить к 2016 году, и его стоимость составляла втрое меньше — 5 млрд евро. Однако сроки сдвинулись на 15 лет, стоимость выросла до 16 млрд евро. По словам Красильникова, первоначальные расчеты производились лишь на бумаге, поэтому, когда речь пошла о производстве, промышленники назвали свои сроки и свою стоимость. Сейчас проект находится в другой стадии — производители начинают выпускать составные части реактора, а французский ядерный регулятор выдвинул новые требования к производству.

«Франция нам сказала, условно говоря: "Давайте-ка делайте вот из этой стали, а не из той, вот из этой меди, а не из той, вот в таких конструктивах, а не других". То есть опять выяснилось, что деньги рассчитывали для одних технических решений, а строить стало можно только в других. Мы договорились, что до июня 2015 года будем обсуждать график и стоимость. К этому сроку они будут скорректированы. Я думаю, цена, которую сегодня называют — 15-16 млрд евро — вырастет еще больше. Не берусь сказать, насколько, но вырастет точно. Но я не вижу в этом ничего дурного. Многие проекты так воплощаются. Это неизбежно», — сказал Красильников.

В России в проекте ИТЭР участвуют около 30 различных организаций, институтов и предприятий. Около 50% всех проектных работ со стороны России выполняет петербургский институт — НИИ электрофизической аппаратуры имени Ефремова, остальные работы выполняют петербургский Физико-технический институт имени Иоффе, Институт прикладной физики (Нижний Новгород), Курчатовский институт (Москва), Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований (Москва), Институт ядерной физики имени Будкера (Новосибирск).

Замдиректора по науке Института ядерной физики Александр Бурдаков рассказал «Фонтанке», что на его предприятии разрабатывают для реактора защитные пробки («порт-плаги»), которые являются заслонками вакуумной камеры, через которые диагностическое оборудование выходит изнутри камеры наружу. Кроме того, институт занимается изготовлением мониторов, на которых можно видеть движение потока нейтронов.

Чепецкий механический завод (входит в топливную компанию «Твэл» Росатома, расположен в Удмуртии) выпускает в рамках проекта ИТЭР так называемые стренды — металлические пруты из меди, олова и титана диаметром с мизинец. Их растягивают до волокон диаметром в семь раз тоньше человеческого волоса. Около 7 тыс. таких волокон складывают воедино, и получается сверхпроводниковый провод. Из них, в свою очередь, будут строить магнитную систему реактора.

В СССР сверхпроводниковое производство существовало только в Усть-Каменогорске, который впоследствии отошел Казахстану. В очень маленьких масштабах производство было во ВНИИНМ имени Бочвара в Москве. «Примерно 20% всех сверхпроводящих материалов, из которых будет создана магнитная система международного термоядерного реактора, это наши сверхпроводящие материалы. Если говорить в абсолютных цифрах, то вклад России — это около 99 тонн ниобий-оловянных стрендов и более 120 тонн ниобий-титановых стрендов», — рассказал заместитель гендиректора ВНИИНМ Ильдар Абдюханов.

Еще одна деталь реактора — гиротроны (мощные микроволновые печи) — разрабатывается в Институте прикладной физики. Гиротроны будут вырабатывать электромагнитное излучение для поддержания температуры внутри реактора. Изначально предполагалось, что внутренняя стенка реактора будет из сверхзакаленной стали. Но впоследствии ученые пришли к выводу, что стали будет недостаточно для работы при большой температуре, так что решено строить стенки из бериллия.

Александр Аликин, «Фонтанка.ру»