Материалы портала «Научная Россия»

Приручаем термояд

Замкнутый топливный цикл сможет обеспечить человечество энергией на многие столетия вперед. Тем не менее ученые уже работают над следующим поколением энергетических платформ. О том, как в будущем переплетутся ядерная и термоядерная энергетика, нам рассказ

Замкнутый топливный цикл сможет обеспечить человечество энергией на многие столетия вперед. Тем не менее ученые уже работают над следующим поколением энергетических платформ. О том, как в будущем переплетутся ядерная и термоядерная энергетика, нам рассказал президент НИЦ «Курчатовский институт» академик РАН Евгений Павлович Велихов

 

- Евгений Павлович, каковы перспективы фундаментальных исследований по управляемому термоядерному синтезу сегодня?

- Видите ли, этот вопрос уже не представляет собой предмет только фундаментальных исследований. И у нас, и в Европейском союзе он уже стоит в программе развития энергетики. Хотя, конечно, проблем на пути создания такой комбинированной термоядерной энергетики еще очень много. Среди них есть вопросы и академического плана, чисто научные, упирающиеся в понимание природы многих явлений, напрямую даже не связанных с энергетикой. Ведь плазма, с которой работают в установках термоядерного синтеза, - это основное состояние вещества во Вселенной. Солнце, все звезды, межзвездное пространство – все это плазма.

- Когда появились первые идеи использовать реакции управляемого термоядерного синтеза в энергетике?

- Все начиналось еще до войны, с работ члена-корреспондента АН СССР Георгия Антоновича Гамова, где термоядерные реакции синтеза изучались как раз как основной источник энергии в звездах. Тогда, конечно, сразу появились идеи использовать эти же процессы и на Земле. А уже после войны, в 1952 г., на стол Сталину легла статья - служебная записка, написанная Игорем Васильевичем Курчатовым и Игорем Николаевичем Головиным. Там говорилось, что вся энергия, которую мы получаем от Солнца, собирается на Земле в основном в трех элементах: уране-238, тории и дейтерии (а на уголь, газ, нефть и прочее топливо приходится всего 2% запасенной энергии). Правда, напрямую использовать эти элементы нельзя, поскольку они, грубо говоря, не горят. Их нужно обязательно переработать. Первыми двумя (ураном-238 и торием) занимается классическая ядерная энергетика, а дейтерием и другими изотопами водорода – термоядерная энергетика. Хотя, конечно, когда все это начиналось, разговоры шли больше не об энергии, а о синтезе плутония для атомной бомбы. Но 28 августа 1949 г. были проведены успешные испытания атомной бомбы, и ученые вернулись к разработке идей, связанных с ядерной энергетикой. Тогда как раз Курчатовский институт (в то время - Лаборатория измерительных приборов АН СССР (ЛИПАН)) взялся за разработку энергетики на термоядерном синтезе, а Игорь Евгеньевич Тамм и Андрей Дмитриевич Сахаров предложили свою схему токамака – установки для термоядерного синтеза

- Курчатов, Тамм, Сахаров – великие ученые …

- Да, выдающиеся ученые. Но надо сказать, что первое предложение установки было достаточно своеобразное: оно было описано в письме Сталину от одного очень толкового моряка с Сахалина. Но, правда, у него там были серьезные ошибки. Особенно в вопросе удержания плазмы в установке.

- Расскажите, пожалуйста, подробнее об этом аспекте и общем устройстве токамака.

- Дело вот в чем: когда вы работаете, например, с плутонием или ураном, то вам не нужны очень высокие температуры. Они делятся, и от этого выделяется энергия. А когда вы работаете с дейтерием, нужны температуры порядка 108 (100 млн)градусов Цельсия: только в таких условиях в норме отталкивающиеся друг от друга атомы смогут приблизиться настолько, чтобы произошла реакция синтеза, в результате которой выделяется энергия. Поэтому в токамаках используется высокотемпературная плазма, которую еще надо удерживать подальше от стенок, потому что любое соприкосновение - и плазма загрязнится самыми разными атомами, охладится и в конце концов исчезнет. Тамм и Сахаров предложили решать этот вопрос с помощью магнитного удержания: в токамаке создается сильное магнитное поле, которое удерживает плазму на весу, она как бы зависает посреди реактора и вдали от стенок. С тех пор предлагались и другие варианты ловушек, но токамак остается доминирующим решением, принятым мировым научным сообществом.

- И как раз большой токамак сейчас строится в рамках ITER?

- Да. С тех пор было построено много установок, сейчас в мире их, наверное, около сотни. Мы в Советском Союзе впервые в 1975 г. получили мощную для энергетики термоядерную реакцию, у нас же было продемонстрировано, что в токамаке можно получить десятки миллионов градусов. И постепенно Курчатовский институт убедил мировую научную общественность и руководство страны, что мы идем по правильному пути и управляемый термоядерный синтез реализуем и чрезвычайно необходим. В результате в 1985 г. на встрече Горбачева и Рейгана было принято решение о создании мировой кооперации. Сейчас в ней семь партнеров – Россия, Евросоюз, США, Китай, Южная Корея, Япония и Индия. И все вместе мы строим установку, которую можно будет рассматривать как технологическую платформу. Это очень важный шаг. То есть это еще не прототип реактора для термоядерного синтеза, но платформа, на которой отрабатываются все основные физические и технологические проблемы. Установка носит название «Международный термоядерный экспериментальный реактор» – ITER. Во французском Провансе, в Кадараше, уже идет строительство. Все договоры на постановку оборудования уже заключены и к 2020 г., максимум к 2025 г. ITER должен быть готов.

- А как выглядит сама установка?

- Она занимает большой зал, примерно 100 х 100 х 100 м, – там установлен токамак. Это очень технически сложное сооружение: в самой его сердцевине температура в 15х108 (150 млн) градусов Цельсия, а вокруг сверхпроводящие катушки, создающие удерживающее магнитное поле, - они работают уже при температуре всего 4 К (-269,150 С). Дальше в составе токамака еще область, поглощающая нейтроны (они образуются при термоядерном синтезе), – там идут охлаждение и теплообмен.

- Какой вклад наших ученых и специалистов в эту разработку?

- Сейчас там на площадке идет строительство, а про огромный фундаментальный вклад наших ученых я уже говорил: Сахаров, Тамм, Михаил Александрович Леонтович, Лев Андреевич Арцимович. Наши ученые и сейчас в проекте на первых ролях. Например, Олег Геннадиевич Филатов, директор НИИ им. Д.В. Ефремова и сотрудник «Росатома», сейчас возглавляет научно-консультативный комитет проекта. Мы участвуем во всех работах. Так, в России разработан специальный сверхпроводник — ниобий-три-олово, Nb3Sn (станнид триниобия), - который сохраняет свои свойства даже в очень сильных магнитных полях.

- Что будет дальше? Как будет развиваться термоядерная энергетика в случае успеха ITER?

- ITER, как я уже говорил - это технологическая платформа. На нем отрабатываются принципиальные решения и некоторые научные задачи (другие задачи могут решаться на других установках или, например, путем математического моделирования на суперкомпьютерах). Важно понимать, что у нас есть межправительственное соглашение, по которому каждый участник кроме Европы вносит в проект одинаковый вклад. Поскольку установка строится на территории Европы, то их вклад больше – например, все строительные работы идут за их счет. Так вот, каждая сторона делает одинаковый вклад и получает одинаковую отдачу – права на всю наработанную интеллектуальную собственность проекта. То есть, грубо говоря, вкладываем 10%, а получаем 100%. Как потом использовать эти результаты, зависит уже от каждой из сторон.

- Каждый участник ITER потом может идти своим путем?

- Да. Получим мы 500 МВт термоядерной мощности и другие заявленные технические параметры - и дальше можем на базе наработанной физики и технологий развивать свои проекты. Тем более что наше видение отрасли значительно отличается от мирового. На Западе и в Японии есть некая традиция максимального использования конкуренции. То есть представители обычной ядерной энергетики и термоядерного синтеза постоянно находятся в состоянии вражды. Термоядерщики говорят, что атомная энергетика грязная и опасная, а ядерщики говорят, что термоядерного синтеза нет и неизвестно, будет ли он когда-то. У нас оба этих направления начинались в одном Курчатовском институте, и у нас сразу закладывалось, что тот же термоядерный синтез будет использоваться для наработок военного плутония. Потом от этих идей отказались, но суть остается неизменной: мы с самого начала разрабатываем гибридную систему, в которой нейтроны, получающиеся при термоядерном синтезе, потом помогают нарабатывать ядерное топливо. Они в десять раз дешевле по энергетике, чем частицы, полученные в процессе деления. Это огромная выгода.

- Хорошо. Термоядерная и ядерная энергетика могут работать в сцепке. Но как же остальные? Возобновляемые источники энергии? Все равно эти технологии будут соперниками?

- Я уверен, что для масштабного развития экономики на Земле возможен только один путь – это ядерная энергетика. А в ядерной энергетике оптимальным видится именно гибридный вариант. Тут надо учитывать еще некоторые тонкости. Дело в том, что атомная энергетика уже установилась как область: время жизни атомных реакторов сейчас приближается к сотне лет. Мы уже сейчас проектируем и строим такие реакторы, и мы должны рассчитывать так, чтобы обеспечить их топливом на все эти 100 лет. Здесь гибридный подход очень полезен. Кроме того, он более безопасный: вероятность крупных аварий вроде Чернобыля или Фукусимы сильно снижается. Я не буду вдаваться здесь в детали, но ключевым фактом здесь выступает использование специальной системы охлаждения.

- Когда можно ждать появления гибридных термоядерных установок?

- Тут заранее сказать сложно. Например, ITER переносит свои сроки. Сейчас совет по ITER возглавил новый директор – Бернар Биго, который до этого возглавлял комиссию по атомной энергетике во Франции, и в ноябре мы будем собираться в Кадараше. Тогда он нам даст полный и реалистичный план-график до получения заявленной термоядерной мощности на ITER. В свое время мы рассчитывали уложиться до 2016 или 2017 г., сегодня сроки сдвигаются до 2025 г. Но к тому времени, как заработает ITER – технологическая база для решения и отработки всех конструктивных вопросов, – у нас должен появится еще и первый рабочий прототип. А потом - прямой путь к станции. Поэтому мы рассчитываем, что первый вариант гибридного ядерного реактора появится уже в первой половине этого века.

iter евгений велихов курчатовский институт росатом термояд

Назад

Социальные сети

Комментарии

  • Михаил Зосименко, 23 марта 2016 г. 21:19:29

    Хотелось бы получить комментарий к статье "Загадки шаровой молнии" http://www.chitalnya.ru/work/1081439/
    от специалиста, занимающегося термоядерным синтезом, конкретно ТОКАМАКом.

    https://www.youtube.com/watch?v=VZ2Fj-bZWbw

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий