Задачей освоения этой технологии учёные занялись более 70 лет назад и со временем добились больших успехов в управляемом термоядерном синтезе (УТС). Однако действующих электростанций на его основе до сих пор нет, и в ближайшие 10 лет они не появятся. В чём же проблема? Дело в том, что для запуска реакций синтеза лёгких ядер требуется большая энергия, поэтому реакции должны проходить в высокотемпературной плазме: речь идёт о многих миллионах (и даже миллиардах) градусов. Задача нагреть, удержать и исследовать горячую плазму оказалась крайне сложной. Человечество в своём развитии ещё не сталкивалось со столь трудными вызовами природы. Тем не менее шаг за шагом физики научились нагревать плазму до высоких температур. Если в 1968 году на токамаке Т-3 в Москве сначала получили только 11 млн градусов, то на современном токамаке JT-60 в Японии удалось получить плазму с температурой 522 миллиона градусов. Были придуманы разные способы магнитного удержания и термоизоляции плазмы: открытые ловушки различных типов, токамаки, стеллараторы и так далее, в которых удавалось с каждым годом всё дольше удерживать горячую плазму. В токамаке плазма имеет форму тора, устойчивость плазмы во внешнем тороидальном магнитном поле поддерживается за счёт текущего по плазме тока. В первых экспериментах в 1960–1970-е годы время удержания плазмы составляло небольшие доли секунды, а сейчас китайский токамак EASTподдерживает плазму более 100 секунд. Высокотемпературная плазма в нормальном режиме реактора не должна касаться стенок, так как в противном случае она резко остынет, а материал стенки может сильно нагреться и разрушиться (ни одно вещество не выдержит многократного нагрева до более 3000 градусов Цельсия). Также она не должна касаться воздуха, поэтому эксперименты проводятся в вакууме.
Были разработаны десятки различных способов измерения параметров горячей плазмы, при которых не происходит её охлаждения. Градусник в плазму засунуть нельзя – он взорвётся от резкого нагрева, а плазма от контакта с ним резко остынет. Учёные научились с помощью пассивных диагностик (например, регистрирующих фотоны, атомы или нейтроны, которые излучаются плазмой) и активных (таких как лазеры или пучки нейтральных атомов) измерять температуру электронов и ионов плазмы, их плотность, состав плазмы, мощность термоядерных реакций и другие параметры, необходимые для понимания происходящих внутри реактора процессов.
Сейчас развитие УТС дошло до уровня, когда мы готовы строить реакторы, которые будут вырабатывать больше энергии, чем потрачено на нагрев плазмы до высоких температур (это отношение принято обозначать буквой Q). Несколько установок с Q~ 1 были запущены в 90-е годы, например JETв Великобритании. Сейчас на юге Франции идёт строительство токамака ИТЭР, который должен будет продемонстрировать Q= 10. ИТЭР – это крупнейший научный международный проект, Россия является его полноправным участником, более того, СССР – инициатор его создания. Многие страны вместе делают большой реактор, перед которым стоят амбициозные задачи удерживать плазму около часа и получить 500 мегаватт термоядерной мощности (в 30 раз больше текущего рекорда на JET). В России разработку и изготовление оборудования для ИТЭР курирует «Росатом». Кроме ИТЭР, в разных странах параллельно развиваются другие термоядерные проекты, часть из которых основана на конкурирующих с токамаками схемах. В России совсем недавно принята национальная термоядерная программа (заказчиком-координатором определён «Росатом»), в рамках которой построят несколько новых установок, а также станут совершенствовать технологии, необходимые для создания реакторов синтеза.
Когда появятся установки с Qпорядка 5÷10 и они достигнут проектных параметров, можно будет проектировать и строить машины следующего поколения с Q~ 30. Такие системы получили условное название DEMO (в разных странах развиваются разные проекты DEMO), это реакторы-демонстраторы уровня технологий, которые позволят начать строительство коммерческих (экономически выгодных) электростанций с Q> 40.
Разработка термоядерного реактора требует обладания компетенциями и технологиями в самых разных областях: нагрев, удержание плазмы и управление ей, методы диагностики плазмы, сверхпроводники, мощные магниты, высокий вакуум, материаловедение, системы управления, сбора и обработки информации и многое другое. Крайняя сложность освоения термоядерного синтеза стала достаточно быстро понятна специалистам, и работы в этой области были рассекречены в далеком 1968 году. Сейчас термоядерные реакторы создаются, как правило, в международной коллаборации, так как полным набором самых современных технологий, необходимых для проектирования, изготовления, строительства и эксплуатации таких установок, не обладает ни одна отдельная страна или тем более отдельно взятый институт.
Какие ближайшие перспективы мы видим? ИТЭР будет запущен на полную мощность не ранее 2036 года – это время можно рассматривать как важный шаг для токамаков, который покажет перспективность этого подхода, будет решён вопрос о строительстве DEMO. До этого времени планируются постройка и запуск нескольких менее масштабных, но важных для понимания физики плазмы проектов, таких как открытая ловушка ГДМЛ в Новосибирске, токамаки Т-15МД и ТРТ в Москве, и других российских и зарубежных проектов токамаков, стеллараторов, открытых ловушек и систем с обращённым полем. В случае успешной реализации могут появиться проекты реакторов не только на основе токамаков (которые на данный момент являются наиболее продвинутыми по параметрам), но и на основе других систем.
У термоядерных реакторов остаются несколько нерешенных проблем, которые не позволяют нам назвать точный срок появления коммерческих электростанций. В первую очередь, это проблемы стойкости первой стенки реактора к мощным тепловым нагрузкам и создание материалов, выдерживающих большой поток нейтронов: они появляются в результате термоядерных реакций. Исследования в этих областях интенсивно ведутся уже много лет, учёные значительно продвинулись в понимании того, какие процессы при этом происходят, и уже более достоверно могут выбирать параметры будущих реакторов, но потребуются ещё значительные усилия, чтобы решить эти вопросы.
В любом случае, если реализация реакторов «чистого» термоядерного синтеза будет запаздывать, то у нас остается альтернативный вариант – гибридный реактор, который требует от реакций синтеза меньшей эффективности. В этом случае вокруг термоядерного источника нейтронов располагают зоны с делящими материалами. Получается гибрид технологий «термоядерный синтез – деление ядер». Преимуществом такого подхода перед уже существующими ядерными реакторами деления является их безопасность (их в принципе нельзя перевести в надкритичный режим и повторить Чернобыль или Фукусиму), а также более низкие требования к ядерному топливу. Кроме того, реакторы такого типа могут использоваться как уничтожители долгоживущих радиоактивных отходов современных ядерных реакторов и таким образом одновременно вырабатывать электричество и делать чище нашу планету.
Комментирует директор Проектного центра ИТЭР Анатолий Красильников:
Проект ИТЭР – объединённый международный шаг к созданию термоядерного реактора. В соответствии с соглашением о создании ИТЭР, каждый партнёр имеет право получения безвозмездной лицензии на всю созданную в рамках проекта интеллектуальную собственность. Кроме того, в рамках Национальной программы по управляемому термоядерному синтезу в России начато проектирование токамака с реакторными технологиями, на котором будут реализованы дополнительные к создаваемым на ИТЭРе технологии, необходимые для создания будущего термоядерного реактора. Всё это обеспечивает научно-технологическую базу сооружения коммерческого термоядерного реактора в России в начале второй половины XXIвека. Планы наших партнёров по ИТЭР такие же, и нет оснований предполагать, что Россия захочет отставать.
Сейчас в соответствии с распределением ответственности между партнёрами кооперация российских научных центров и предприятий промышленности создаёт 25 уникальных систем специального оборудования для ИТЭР. Две из них (сверхпроводники из Nb3Sn и Nb-Ti) уже изготовлены и поставлены на площадку сооружения ИТЭР. Для выполнения обязательств России привлечены коллективы ГК «Росатом» – АО НИИЭФА, АО НИКИЭТ, АО ВНИИНМ, АО ТВЭЛ, АО ЧМЗ; АО ПСЗ и др.; Министерства образования и науки РФ – Физико-технический институт имени А. Ф. Иоффе, Институт ядерной физики СО РАН им. Г. И. Будкера, Институт прикладной физики РАН; НИЦ «Курчатовский институт», «УТС-Центр» и промышленные предприятия: СНСЗ, АО ГКМП и др.
