Пятна «искусственного солнца». Термоядерная энергетика

На вопросы «Завтра» отвечает публицист Валентин Гибалов (tnenergy), специалист по атомной и термоядерной энергетике

"ЗАВТРА". О чём хотелось бы сегодня поговорить: человечество уже полвека стучится в двери термоядерной энергетики. Стучится долго и громко, но столь же безрезультатно, и многие уже начали думать, что никакого термоядерного синтеза нет, что учёные всё выдумывают о "мирном термояде". Мол, у них до этого была игрушка — атомная энергетика, а теперь они придумали некую термоядерную, которая даст нам громадные запасы топлива, бесплатную чистую энергию… но нас просто обманывают! Я понимаю, что это достаточно известный миф, но что вы можете сказать по этому поводу?

Валентин ГИБАЛОВ. Мне кажется, хорошим ответом на это является начало всей термоядерной истории. В 1952-53 годах были взорваны первые термоядерные бомбы. И ровно с этого момента начинаются секретные программы разработки термоядерных реакторов, управляемого термоядерного синтеза — связь тут очень чётко прослеживается. Это решение приняли и в США, и в СССР сразу, как только пришло практическое подтверждение, что выход энергии есть, причём выход колоссальный и необъяснимый даже в случае использования реакции деления урана или плутония. Просто учёные тогда посчитали, что если взять весь уран, например, "Царь-бомбы" и поделить его, то его энергии не хватит на все те мегатонны, которыми она рванула на Новой Земле. И с тех пор получена масса подтверждений термоядерной реакции, можно, например, практически "в гараже" собрать такие полуигрушки-реакторы, называющиеся "фузоры"…

"ЗАВТРА". …и которые буквально "в холодную" делают синтез нескольких атомов в минуту?

Валентин ГИБАЛОВ. Да! Но они излучают нейтроны, причём объяснить появление этих нейтронов в фузорах как-то по-другому невозможно. Надо признать, что там идёт термоядерный синтез. Конечно, такой маленький реактор не будет выдавать электроэнергию, но лучить нейтронами во все стороны вполне будет. Так что лучше не спать с ним в обнимку — хотя топливом для фузора и будет обычный тяжёлый водород-дейтерий, в небольшом количестве содержащийся в простой водопроводной воде, которую заливают в фузор.

"ЗАВТРА". А вот если сейчас сказать о термоядерном топливе для наших читателей… В фильме "Луна-2112" главный герой добывает гелий-3 на поверхности Луны. А что является основным термоядерным топливом на Земле?

Валентин ГИБАЛОВ. Сейчас для термоядерного синтеза рассматриваются всего три реакции. Причём из них более-менее реалистична одна-единственная — дейтерий-тритиевая энергетика. Она самая простая и даёт больше всего энергии на выходе. Но есть у неё и инженерные недостатки, довольно серьёзные, которые очень усложняют жизнь.

"ЗАВТРА". Например, нейтроны.

Валентин ГИБАЛОВ. Да, нейтроны. Которые активируют реактор и всё вокруг: термоядерный реактор становится сам очень высокорадиоактивным. Например, получается, что "время жизни" первой стенки реактора на дейтерий-тритии — всего пять лет, то есть каждые пять лет надо менять один из самых сложных компонентов реактора. И, конечно, это экономически очень затратно. Собственно, поэтому мы имеем в мире лишь один-единственный научный проект термоядерного реактора — ITER (ИТЭР).

Кроме дейтерия-трития есть реакция дейтерий-дейтерий ("монотопливо") — она получается совсем неудобной по физике, потому что у неё тоже на выходе много нейтронов, и при этом она гораздо тяжелее в достижении нужных параметров реактора, в первую очередь — температуры плазмы. И есть лунный гелий-3, которого практически нет на Земле, но которого много в грунте Луны. Но у этой реакции ещё больше требования, безумная проблема в плане того, как сделать реактор, который бы удерживал плазму из дейтерия и гелия-3.

"ЗАВТРА". То есть у нас сегодня с термоядом ситуация, как у папуасов с утлыми пирогами, которые пытаются из Новой Гвинеи через Тихий океан достичь Америки?

Валентин ГИБАЛОВ. Да, где-то так. Очень быстро, буквально на первых установках, построенных в середине 1950-х годов, стали видны колоссальные проблемы. Прежде всего — с неустойчивостью термоядерной плазмы. При попытке её сжать она "вырывалась", есть сравнение, что это как пытаться палочками для суши держать скользкое куриное яйцо. Попытка сжать магнитными полями приводит к разрушению плазменного жгута. И вторая проблема — это термоизоляция. Если мы нагреваем плазму до ста миллионов градусов, которые нужны термоядерной реакции, то она остывает с колоссальной скоростью — за счёт излучения. И все 1960-е годы, и большая часть 70-х прошли в борьбе с этими двумя проблемами. Борьба выглядела как постоянный поиск схем удержания плазмы, пробовали и так называемые "Z-пинчи" и "открытые ловушки". Каждое из этих направлений упиралось в какие-то ограничения, но учёные тут же обычно придумывали новый вариант и начинали развивать уже его, улучшая прошлые результаты. И вот в 70-х годах токамаки, придуманные в СССР, вышли в фавориты. У них, казалось, наилучшая термоизоляция и удержание плазмы.

"ЗАВТРА". Это такие бублики.

Валентин ГИБАЛОВ. Да. Это, кстати, одна из особенностей магнитного поля — невозможность сделать магнитный шар, в нём всегда дырка будет, получится "бублик". В итоге токамаки и сегодня опережают ближайших преследователей по параметрам плазмы в тысячу раз. Из-за токамаков закрыли многие другие проекты, например, известная история случилась с MFTF — это открытая ловушка, строившаяся в США и уже практически собранная в 1986-м году. Её закрыли, так как финансирование проекта прекратили: к тому моменту казалось, что токамаки дешевле и проще. Поэтому почти собранная ловушка за миллиард долларов так никогда и не заработала. А в итоге токамаки достигли определённой цели, даже получили выход энергии из термоядерной плазмы, но вопрос самоподдерживающегося термоядерного синтеза так и не решили. Например, в 1997 году токамак JET достиг термоядерной мощности 16 мегаватт — и это было настоящее термоядерное горение, померенное очень надёжно.

"ЗАВТРА". То есть все рассказы, что термоядерной реакции нет и она не выделяет тепло, — глупость, потому что ещё в 90-е годы это всё уже доказано, проверено, измерено и записано?

Валентин ГИБАЛОВ. Да, плазму в токамаках уже давно зажгли. Есть ещё один миф, что термоядерное удержание — это миллисекунды по времени. На самом же деле мировой рекорд удержания плазмы сейчас составляет 48 минут. Проблема в другом — и определяется как раз тем, что показали опыты на JET в 1997-м году.

Когда JET в 1997 году показал свой рекордный выход энергии, стало понятно, что это экономически совершенно неинтересно. Такой термоядерный реактор на базе токамака размером с JET или даже больше, к которому бы подключили паровые турбины, — он себя не окупает! Единственный вариант как-то спасти ситуацию — сделать реактор очень большим, когда удельные расходы на мегаватт сильно упадут. Но по расчётам получался термоядерный реактор на 10 гигаватт, в тысячу раз больше, чем рекордный токамак JET.

"ЗАВТРА". Если сравнивать с сегодняшними станциями — это как 10 атомных блоков какой-нибудь Нововоронежской АЭС!

Валентин ГИБАЛОВ. Да. То есть больше, чем самая большая атомная станция в мире. И тут возникает вторая проблема. Дело в том, что, когда начиналась термоядерная эпопея, потребление энергии в мире росло экспоненциально. А уже в 90-х годах рост потребления замедлился, а в развитых странах и вовсе "вышел на полку". То есть 10-гигаваттный блок был хорош в мире 70-х, когда казалось, что скоро такое потребление будет "в каждой деревне".

"ЗАВТРА". Получается, что мы построили большую вёсельную галеру, в которой можно плавать по Средиземному морю, она громадная, но мы по-прежнему не можем на ней переплыть Атлантический океан?

Валентин ГИБАЛОВ. Тут даже лучше подходит другая аналогия. Термоядерный синтез — это что-то типа покорения горы. Учёные лезли, лезли вверх по склону, но это надоело людям, которые дают деньги, они говорят: "Сделайте хоть что-то!". И тогда учёные отвечают: "Хорошо, мы построим большой строительный кран и человека сразу на вершину горы поставим!". И в качестве такого мега-крана возник международный проект ITER. В нём сразу хотят получить 500 мегаватт термоядерной плазмы, и это сравнимо с мощностью хорошего ядерного блока. Но даже это не даст прямого экономического выхода сейчас: коммерческий реактор DEMO всё равно надо будет сделать в несколько раз больше ITER.

"ЗАВТРА". Хорошо, договорились. Нет мгновенного экономического выхода. То есть мы опять возвращаемся к мысли, что это лишь некие недешёвые игрушки для учёных? Или, всё-таки, рядом с магистральной дорогой токамаков, с дорогой больших гигаваттных установок есть какая-то надежда иметь и небольшие реакторы?

Валентин ГИБАЛОВ. ITER — совершенно уникальная стройка, даже больше знаменитого Большого андронного коллайдера (БАК). Но если она "не взлетит", то действительно станет очередной игрушкой учёных. Поэтому, упёршись в очередной тупик, люди начали сдувать пыль со старых проектов, которые умерли, когда токамаки внезапно попёрли вперёд. Последние лет пятнадцать в мире, на фоне пробуксовки с ITER, идёт очень интересное, бурное развитие альтернативных проектов. Всего есть около двадцати команд в мире, каждая из которых ведёт свой уникальный проект. Например, в американской Калифорнии есть команда Tri Alpha, они собрали, в том числе от "Роснано", 400 миллионов долларов инвестиций и уже построили несколько установок. Эти установки создают особый плазменный вихрь, сжимают его, он нагревается, и в нём начинается термоядерная реакция. Так как это вихрь, а не бублик, то он очень хорошо удерживается и довольно хорошо теплоизолирован. По сравнению со старыми опытами 80-х годов они достигли примерно 500-кратного улучшения характеристик, но им осталось… всего-то в 10 тысяч раз улучшить параметры своей установки. Вот так.

"ЗАВТРА". Если они взяли деньги из "Роснано", они свои результаты, я так понимаю, публикуют?

Валентин ГИБАЛОВ. Да, публикуют. И тут надо понимать, что без термоядерной энергетики трудно представить "светлое будущее". Мы знаем, что нефть и газ закончатся. Мы знаем, что уголь тоже когда-то закончится. Есть надежда на возобновляемые источники, но они тоже ограничены по своим масштабам применения, как ни крути. А если размер мировой энергетики вырастет в 10-100 раз, а то и в 1000 раз, то единственный вариант, который у нас остаётся — это замкнутый ядерный топливный цикл и термоядерная энергетика. Так что важны любые результаты на пути к синтезу, как бы смешно они сегодня ни выглядели.

Например, в Канаде есть команда "Дженерал Фьюжн", у которой концепция совершенно сумасшедшая, хотя она корнями уходит тоже в 1980-е годы. Канадцы создают такие же плазменные вихри, как Tri Alpha, но сжимают их не магнитными полями, а внутри вращающейся трёхметровой капли из расплавленного свинца. Внутри этого вращающегося шара за счёт центробежной силы образуется узкий канал, куда загоняют плазменные вихри, а во всё это безобразие снаружи шара одновременно ударяет пятьдесят паровых молотов.

"ЗАВТРА". С ума сойти. Паровые молоты создают термоядерную реакцию?!

Валентин ГИБАЛОВ. Да. Молоты сжимают жидкий свинец, свинец давит на плазму, а в центре свинцового шара плазма даёт термоядерную вспышку. Получается эдакий "термоядерный паровоз". Канадцы оправдывают это тем, что, раз в их установке нет магнитного поля, а молоты работают на пару, то пар и не надо получать из электроэнергии, можно использовать сразу тепло самой термоядерной реакции, без потерь на электричество.

"ЗАВТРА". Какой-то термоядерный стим-панк получается…

Валентин ГИБАЛОВ. Стим-панк, да. Канадцы тоже собрали достаточно денег, около ста миллионов долларов. У них тоже есть сложности, но красивость (или безумность?) их идеи привлекает к ним энтузиастов. Есть наша альтернатива, российская…

"ЗАВТРА". То есть в России продолжаются и свои уникальные работы над термоядерным синтезом?

Валентин ГИБАЛОВ. Да. Это Институт ядерной физики им. Будкера в Новосибирске. У новосибирцев есть очень интересные наработки по так называемым "открытым ловушкам", это их конёк. Когда уже упомянутую американскую MFTF закрыли в конце 80-х, об открытых ловушках позабыли — а новосибирцы вели работы все 90-е годы и достигли очень серьёзных успехов, в результате чего в мире снова заговорили об открытых ловушках.

"ЗАВТРА". Да, я читал, что новосибирцы свои установки собирали буквально в каких-то неотапливаемых сараях, на голом энтузиазме…

Валентин ГИБАЛОВ. Да. И вот это полузабытое направление — на фоне несомненных успехов российских физиков — вновь стало интересным через двадцать лет, когда намечается очередной кризис по токамакам. Поэтому я и говорю, что альтернативы всегда надо поддерживать. Это всегда и страховка, и задел на будущее.

"ЗАВТРА". Хорошо, подведём итоги в нынешнем состоянии термоядерной энергетики. ITER — это проект ещё на десятилетия вперёд, его сроки постоянно переносятся, но понемногу проект идёт вперёд. Проект сверхсложный, кое-где, я так понимаю, чуть ли не целые уникальные заводы собираются строить для изготовления деталей ITER. А в какие сроки у людей есть надежда получить управляемую и экономически выгодную термоядерную реакцию?

Валентин ГИБАЛОВ. Это очень трудный прогноз. Можно сказать "завтра", можно сказать "никогда" — и оба ответа будут неверными. Реально то, что, несмотря на все трудности, ITER — это совершенно передовой проект, он в тысячу раз превосходит всех своих конкурентов по основным параметрам и на порядок больше того, что когда-либо делалось на пути покорения термоядерной плазмы.

"ЗАВТРА". То есть "если не догоним, то уж согреемся точно"?

Валентин ГИБАЛОВ. Да, безусловно, и технологии, полученные на ITER, однозначно найдут применение в дальнейшем. Тут есть один аспект, который мало кто упоминает. Дело в том, что все эти многочисленные установки, которые были созданы — 150 токамаков, около 200 других термоядерных установок — это всё электрофизические установки. В них, кроме двух самых мощных, никогда не было термоядерной реакции, это не были ядерные установки со всеми их проблемами и ограничениями. Термоядерными установками были до ITER только уже упомянутый токамак JET и американский токамак TFTR, но для обоих токамаков это было окончание их карьеры, после чего их пришлось демонтировать и захоронить. Причём в них было очень небольшое количество трития, но реакция была. Тритий вообще сам по себе очень неприятен, потому что очень активен, он встраивается в биологический цикл, это вода, фактически.

"ЗАВТРА". Я так понимаю, что первую стенку реактора надо потом утилизировать, ведь она будет активирована нейтронами? Соответственно, будет лучить "живительные" альфа, бета и гамма лучи?

Валентин ГИБАЛОВ. Да, там совершенно невероятная радиация будет, даже по меркам современной ядерной отрасли. Например, ITER — не самый плотно используемый реактор, в нём только четверть времени работы будет гореть плазма. Но при этом после его остановки, через сутки, там будут поля в 50 тысяч рентген в час в центре камеры — там люди не могут находиться ни доли секунды. Даже роботы будут работать внутри, так как сами будут "светиться", если выйдут наружу, а рядом c ITER сразу строят завод по работе с радиоактивными отходами.

"ЗАВТРА". То есть получается, что реальная термоядерная энергетика будет продуцировать если не большие, то сравнимые с ядерной энергетикой объёмы высокоактивных отходов?

Валентин ГИБАЛОВ. Нет, так как тут два аспекта. Ядерная энергетика производит много ОЯТ (отработанного ядерного топлива). Это очень большое количество радиотоксичности, ОЯТ надо хранить 100 тысяч лет, причём под строгим контролем, это большая проблема для ядерной энергетики. А у термоядерной энергетики ОЯТ не будет, но будет активация конструкций, которая будет больше, чем у ядерной энергетики. Но если сложить "много ОЯТ" и "немного активных первых стенок", то баланс будет однозначно в пользу термоядерной энергетики — она гораздо чище современной ядерной. Конечно, тут не без проблем, есть уже упомянутый тритий. И ITER — первая по-настоящему термоядерная установка, на которой это всё будут испытывать, которая строится как настоящая ядерная электростанция.

Там везде ставят двойные стенки, везде двойные трубы. В здании токамака ITER в бетон будет установлено 80 тысяч металлических пластин, потому что бетон на ядерных объектах нельзя сверлить, всё будут приваривать или прикручивать к этим металлическим пластинам, которые уже заранее закрепили к арматуре самого железобетона.

ITER — это первая промышленная установка, и все дальнейшие попытки сделать термоядерный реактор будут использовать опыт ITER. Например, робототехника в ITER — это отдельный, сверхсложный и уникальный проект, единственный в мире. Там можно любую систему взять, и она окажется рекордной. Это и в самом деле выглядит как альпинизм с помощью строительного крана высотой с гору.

"ЗАВТРА". Я понял. Тогда мы быстро будем на вершине? Сколько на это надо времени: 10 лет, 20, 30, полвека, век? Ведь термоядерная энергетика уже не девочка, ей уже, по-хорошему, 50 лет в обед!

Валентин ГИБАЛОВ. Лев Арцимович, один из отцов термоядерной энергетики, в своё время, устав от вопроса "когда?", сказал, что термоядерный реактор будет построен, когда это станет нужно человечеству. Речь сегодня как раз идёт о том, что нет какой-то насущной потребности в таком громадном запасе энергии, которую нам обещает управляемый термоядерный синтез, поэтому всё и идёт столь неспешно. У того же проекта ITER есть сценарий, что делать, если завтра вдруг в мире понадобится дополнительный тераватт мощностей (1000 гигаватт!). Там просчитано, что за 20-25 лет можно перейти к массовому строительству термоядерных реакторов, на основе того опыта, который сейчас будет получен на ITER. Но сегодня план попроще, не такой спешный. То есть можно успеть детей родить, вырастить, в институт отправить. И вполне возможно, что ITER обгонят другие участники.

"ЗАВТРА". Какие-то из упомянутых молодых команд?

Валентин ГИБАЛОВ. Да, ведь даже среди токамаков есть новые направления. Например, сферические токамаки. У них классический "бублик" токамака максимально сжат в сферу, "дырочка" там в центре есть, но она маленькая, поэтому внутри такой псевдосферы очень сложно расположить много магнитов. Так и было до недавнего времени: учёные садились, рисовали эту красивую сферу на салфетках, а потом: "о, нет, тут у нас магниты не влезут"…

А сейчас появились высокотемпературные сверхпроводящие магниты, они дошли до стадии промышленного применения. И внезапно оказалось, что на базе этих магнитов можно легко построить сферический токамак. А так как он сферический, то в нём можно сделать очень высокие магнитные поля. А это ключевое условие, всегда. И такие относительно небольшие, относительно недорогие установки, которые в миллиард долларов укладываются всем бюджетом, может строить не весь мир, но и одна компания — и они могут обогнать долгострой ITER. Особенно если ITER и дальше будет так неспешно ковыряться.

"ЗАВТРА". То есть ITER может разделить судьбу построенной и потом закрытой MFTF?

Валентин ГИБАЛОВ. Может, да. Тем более, что к нему постоянно есть претензии по поводу финансирования. Сейчас эти вопросы уже вышли на уровень парламентов Евросоюза и США.

"ЗАВТРА". Вообще удивительно. В результате долгого обстоятельного разговора с аргументами за и против того, что я сказал в самом начале, мы всё равно выходим на то, что политики опять не понимают учёных. Более того, учёные в самом деле сейчас зашли в некие смысловые тупики и пытаются из них выйти?

Валентин ГИБАЛОВ. Это жизнь, да. На самом деле непонятно, конечно, кто выиграет. Очень длинный процесс. Невозможно сказать, что будет через 20 лет, как будет мир выглядеть. Я надеюсь, что через двадцать лет у нас будет работающая термоядерная плазма, которая будет приносить экономически оправданную электроэнергию для человечества.

"ЗАВТРА". Большое спасибо за нашу беседу.

Материал подготовил Алексей АНПИЛОГОВ

На фото: токамак ITER в разрезе