Гигантский термоядерный реактор пробил кризисную оболочку

17-18 июня 2009 года в японском городе Мито прошло четвертое заседание совета по строительству во Франции одного из крупнейших международных проектов -- термоядерного реактора ИТЭР (ITER). Незадолго до этого в прессе стали появляться сообщения об изменениях в планах строительства и работы реактора, которые должны были обсуждаться в Японии. Так, в своем интервью Nature первый заместитель генерального директора ИТЭР Норберт Холткамп (Norbert Holtkamp) сообщил о возможном переносе запуска установки, то есть даты получения первой плазмы. Некоторые СМИ пошли дальше. «Би-би-си», например, сообщала о возможной приостановке проекта в связи с более чем троекратным увеличением его бюджета. Собственные источники «Би-би-си» сообщили о том, что на настоящий момент бюджет ИТЭР оценивается в 16 миллиардов долларов США, хотя изначально технический проект, завершенный в 2001 году, предусматривал гораздо более скромные затраты – строительство ИТЭР было оценено в 5 миллиардов долларов.

ИТЭР устоял, сроки подтверждены

Ожидания прессы не оправдались – никаких сенсаций в Мито не произошло. Если не считать сенсацией то, что в условиях мирового финансового кризиса ни одна из стран-участниц не отказалась ни от одного из своих обязательств по проекту. Корреспондент Infox.ru обсудил результаты встречи в Мито и дальнейшие перспективы этого беспрецедентного по масштабам международного проекта с Анатолием Красильниковым, руководителем Российского агентства ИТЭР.

«Основной темой этого заседания было, конечно обсуждение плана-графика сооружения установки вплоть до получения первой плазмы, -- рассказал Анатолий Красильников. – Надо отдавать себе отчет в том, что это крупнейший международный проект на сегодня, тридцать три страны участвуют. Каждая страна имеет свои внутренние обстоятельства. И, конечно, в таком крупном проекте разные партнеры могут двигаться с разными скоростями. Действительно, были некие сомнения, все ли партнеры сегодня готовы к тому, чтобы обеспечить пуск в 2018 году».

Изначально при подписании 21 ноября 2006 года в Париже соглашения о создании Международной организации ИТЭР в городе Кадараше, ранее выбранном для строительства реактора, датой получения первой плазмы указывался 2016 год. Однако уже на втором съезде Совета ИТЭР в Аомори в Японии она была перенесена на 2018 год – к тому моменту план проекта был еще раз тщательно пересмотрен и проанализирован.

«На этом совещании все партнеры подтвердили, что они считают своей целью, и это записано в документ, запуск установки и получение первой плазмы в 2018 году, -- рассказал Анатолий Витальевич. -- То есть именно тогда сооружение из стадии строительства установки должно перейти в стадию начала ее эксплуатации».

Стоимость проекта

Что касается бюджета строительства, то с 2001 года, когда завершилось техническое проектирование реактора, он ни разу не пересматривался. До сих пор в официальных документах он зафиксирован на уровне 5 миллиардов долларов. С тех пор в результате инфляции заметно выросли цены на строительные материалы и зарплаты сотрудников. На стоимость проекта повлияло и увеличение количества его  участников. Если в 2001 году строить ИТЭР собирались только три члена: Евросоюз, Россия и Япония, то к 2007 году к строительству подключились США, Китай, Южная Корея и Индия. А это значит, что выросло число сотрудников, выросли затраты на обеспечение коммуникации между национальными агентствами – техническое обеспечение видеоконференций и командировки сотрудников. По словам Норберта Холткампа, «строительство ИТЭР – это как строительство Международной космической станции, только надо еще в процессе создать NASA и ESA».

На данный момент эксперты оценивают реальный бюджет ИТЭР по-разному. Однако точно сказать, во сколько обойдется строительство группе стран, нельзя, потому что, по словам Холткампа, «примерно 90% проекта будет управляться напрямую индивидуальными странами-участниками». У центральной организации ИТЭР, по большому счету, нет возможности точно оценить, сколько долларов, евро, рублей, юаней и других денег было потрачено национальными агентствами.

Но то, что бюджет вырос – факт, который не оспаривается никем из официальных лиц. И, возможно, это бы воспринималось как естественный процесс, если бы не финансовый кризис.

Как подействовал кризис

«Кризис – это снижение финансовых потоков в мире, снижение поступления в бюджеты стран-участниц. И в этом смысле, конечно же, кризис не сказывается благоприятно на обеспечении финансирования у каждого из партнеров», -- считает Анатолий Красильников. Именно волна снижений финансирования научных проектов по всему миру подстегнула интерес прессы к встрече в Мито. Однако пессимистичные прогнозы не оправдались. «Ни один из партнеров пока не заявил о том, что кризис как-то сказался на снижении финансирования», -- рассказал Красильников.

Руководители множества крупных строительных проектов не раз отмечали, что нынешний финансовый кризис имеет и положительную сторону. Это верно и по отношению к постройке реактора в Кадараше. «Кризис притормозил тот рост цен, который наблюдался в последние несколько лет, на ключевые материалы, которые мы используем. На нержавеющую сталь, на алюминий, -- поделился с корреспондентом Infox.ru руководитель Российского агентства ИТЭР, -- это позитивное влияние кризиса. Но тут надо отметить такую вещь. Поскольку ИТЭР – установка уникальная, то во многих случаях мы используем уникальные же и материалы. Такие как ниобий, например. Цены на такие материалы кризис не снизил, к сожалению».

Позиция России

В любом случае, сохранение временных сроков постройки ИТЭР – хорошая новость. И для России в первую очередь. «Дело в том, что Россия уже несколько лет целевым образом финансирует работы по созданию установки ИТЭР. Мы имеем зафиксированный федеральный бюджет по созданию систем ИТЭР, которые входят в нашу часть ответственности, -- рассказал Красильников. -- Некоторые партнеры начали такое целевое финансирование буквально вот последний год. А мы уже несколько лет в такой фазе. И это, с одной стороны, привело к тому, что мы по разработке и созданию ряда систем впереди других партнеров. С другой стороны, притормозить работы мы не можем. То есть любое торможение в создании тех или иных систем приводит к тому, что выделенное финансирование улетучится». Причина в том, что Российское агентство, как и все бюджетные организации России, в конце года отправляет выделенные, но не использованные в течение года деньги обратно в бюджет. И получить их еще раз уже не может.

Бежать впереди других партнеров, если они откладывают выполнение каких-то работ, российские организации могут не всегда. По ряду систем разные этапы работ проводятся в разных странах. К примеру, сверхпроводниковый кабель изготавливают в России, на недавно открытом в Глазове заводе. Затем он отправляется в Европу для последующей обработки. Но завершающий этап – изготовление обмотки – опять же производится в России. «То есть мы уже сегодня работаем в ряде систем как единый организм с некоторыми партнерами. Поэтому если мы впереди, а они отстают, то весь караван тормозит», -- описал ситуацию Анатолий Витальевич.

Поэтому позиция России на всех форумах ИТЭР всегда заключается в том, чтобы все остальные партнеры выполняли свою часть работ в срок и обеспечили получение первой плазмы в 2018 году. Так что результаты встречи в Мито в некоторой степени можно считать успешными для нашей страны.

Зачем нужен ИТЭР

Успешная реализация проекта ИТЭР – шанс для всего человечества освободить себя от проблем, связанных с исчерпанием энергоресурсов, на миллионы лет вперед. Газ, нефть и даже уголь на Земле скоро закончатся. Запасов топлива для атомных электростанций больше – их хватит на несколько сотен лет, но и они ограничены. К тому же АЭС выдают на выходе радиоактивные отходы, проблема утилизации которых до сих пор толком не решена. Поэтому надежды многих направлены именно на строительство термоядерных электростанций – ТЯЭС. Топлива для них на Земле предостаточно.

Идея термояда довольно проста, как говорят сами физики. Огромное количество энергии выделяется, когда ядра тяжелых элементов разваливаются на части. Но еще больше энергии можно получить, если слепить из двух ядер легких элементов третье. Классическая реакция для этого, которая заложена в основу всех термоядерных бомб, -- синтез трития из дейтерия и лития.

Но ядра, даже у легких элементов, просто так не слепить. Чтобы они начали взаимодействовать, нужно столкнуть их с силой, превышающей электростатическое отталкивание. А для этого их придется нагреть до невообразимо высокой температуры, превратить в плазму. Для той же реакции дейтерия с тритием, на которую ученые и возлагают основные надежды, необходима температура в 100 миллионов градусов. Для сравнения, температура в центре Солнца – около 15 миллионов градусов.

Есть и другие требования – высокая плотность, а значит, внутреннее давление плазмы и относительно большое время ее удержания в реакционном состоянии. Последнее необходимо для того, чтобы энергия, выделившаяся в ходе реакции, превышала затраты на нагрев и сжатие плазмы.

История мирного термояда

Идеи, как технически провести такую реакцию, появились еще в первой половине XX века. С тех пор во всем мире создавались экспериментальные реакторы разных типов: взрывные камеры, в которых с небольшим периодом повторяются «микровзрывы» сжатого топлива, энергию которых планируется использовать, и квазистационарные системы, в которых плотность реагирующего вещества относительно низка, зато плазма удерживается в стабильном состоянии длительное время, в течение которого отдает энергию. Научные организации разных стран разработали несколько вариантов квазистационарных систем. Наиболее известными и наиболее успешными оказались тороидальные магнитные ловушки токамак и стелларатор. Если плазму замкнуть в кольцо, придав ей форму бублика, и наложить вдоль этого бублика-тора магнитное поле, то частицы плазмы могут перемещаться свободно по тороидальной траектории, при этом все время оставаясь внутри ловушки и не сталкиваясь со стенками.

Однако для эффективной работы тороидальной ловушки магнитное поле в ней должно иметь сложную винтообразную конфигурацию. Ученые США и СССР в 50-х годах придумали два разных решения этой проблемы. Лайман Спитцер (Lyman Strong Spitzer) в США предложил использовать специальные винтовые обмотки изощренной формы. Их изобретение получило название «стелларатор» от от латинского слова stella – звезда.

В СССР же Игорь Евгеньевич Тамм и Андрей Дмитриевич Сахаров для создания винтового поля в тороидальной камере решили пустить электрический ток прямо по плазме. Названием установки стало сокращение от выражения «тороидальная камера с магнитной катушкой» -- «токамак». Теперь оно известно во всем мире.

Между стеллараторами и токамаками происходило соревнование. Показателями успешности считались температура и время удержания плазмы. В определенный момент стал лидировать токамак. В 70-х годах США отказались от идеи стеллараторов и тоже перешли на токамаки. Во многом именно поэтому к середине 80-х годов XX века токамак оказался наиболее изучен и продвинут. Поэтому, когда в 1985 году Советский Союз предложил международному сообществу строительство крупного термоядерного реактора общими усилиями, ни у кого не возникло сомнений, что это должен быть именно токамак.

Впрочем, возможно, техническую реализацию термояда придется пересмотреть, и не раз: «Не факт, что в будущем не разовьется какое-то другое направление, те же самые стеллараторы», -- пояснил Infox.ru доцент МФТИ, начальник сектора CODAC удаленного доступа отдела физики и информационных технологий Российского агентства ИТЭР Игорь Борисович Семенов. Но пока эта идея -- самая перспективная, подтвердил ученый.

Почему такой большой

Действительно, споров о том, должен ли ИТЭР быть именно токамаком, не возникает. Некоторые ученые ставят вопрос совсем иначе: должен ли ИТЭР быть? Специалисты в разных странах, развивающие собственные, не столь масштабные термоядерные проекты, утверждают, что такой большой реактор вовсе не нужен.

Впрочем, их мнение вряд ли стоит считать авторитетным. В создании ИТЭР были задействованы физики, работающие с тороидальными ловушками уже несколько десятков лет. В основу устройства экспериментального термоядерного реактора в Кадараше легли все знания, полученные в ходе экспериментов на десятках токамаков-предшественников. И эти результаты говорят о том, что реактор обязательно должен токамаком, причем большим.

«Любой энергетический проект прежде всего связан с энергобалансом в системе. Размеры термоядерного реактора, который делается, определяются физикой плазмы. Именно физика плазмы определяет энергобаланс, -- рассказал Infox.ru Игорь Семенов. Что такое энергобаланс, доцент МФТИ описал на простом примере: «Все мы видели, как горит костер. На самом деле там не дрова горят, а газ. Энергетическая цепочка там вот какая: горит газ, греет дрова, дрова испаряются, опять горит газ. Поэтому, если мы плеснем в огонь воды, то мы резко заберем из системы энергию на фазовый переход жидкой воды в парообразное состояние. Баланс станет отрицательным, костер погаснет. Есть и другой способ – мы просто можем взять и головешки разнести в пространстве. Костер тоже погаснет. Точно также и в термоядерном реакторе, который мы строим. Размеры выбраны так, чтобы создать для данного реактора соответствующий положительный энергобаланс. Достаточный, чтобы в будущем построить настоящую ТЯЭС, решив на данном, экспериментальном этапе все проблемы, которые на данный момент остаются нерешенными».

Размеры реактора однажды менялись. Это произошло на рубеже XX-XXI века, когда США вышли из проекта, а оставшиеся члены поняли, что бюджет ИТЭР (к тому моменту он оценивался в 10 миллиардов долларов США) слишком велик. От физиков и инженеров потребовали уменьшить стоимость установки. А сделать это можно было только за счет размеров. Руководил «перепроектированием» ИТЭР французский физик Роберт Аймар (Robert Aymar), который прежде работал на французском токамаке Tore Supra в Кадараше. Внешний радиус плазменного тора был сокращен с 8,2 до 6,3 метра. Впрочем, риски, связанные с уменьшением размера, отчасти компенсировали несколько дополнительных сверхпроводящих магнитов, которые позволили реализовать открытый и исследованный на тот момент режим удержания плазмы.

Перспективы проекта

Перед ИТЭР стоят и другие задачи. Термоядерный реактор может стать экономически выгодной альтернативой атомным реакторам на быстрых нейтронах для обогащения ядерного топлива. Также ученые надеются, что помещая на бланкет – внутреннюю оболочку тора – радиоактивные отходы, можно будет «дожигать» их до нерадиоактивной формы. То есть, возможно, термоядерные реакторы станут и машиной для утилизации отработанного ядерного топлива.

Итак, обогащение ядерного топлива, утилизация радиоактивных отходов и, конечно, разработка принципов, которые позволят построить ТЯЭС – вот основные задачи, стоящие перед будущим термоядерным реактором.

Однако руководитель Российского агентства ИТЭР отмечает и другие перспективы этого проекта: «Российская Федерация делает девятнадцать систем. В девятнадцати научных коллективах, даже больше – некоторые системы выполняются группой коллективов -- есть задачи выше мирового уровня. Наши ученые, инженеры, технологи контактируют с ведущими мировыми коллективами, центрами. И, несомненно, это делает проект ИТЭР локомотивом для индустриального и научного развития нашей страны».

Очередное заседание совета ИТЭР состоится 18-19 ноября в Кадараше. К этому моменту все участники должны провести анализ рисков, связанных с финансированием и техническим обеспечением производства различных систем, находящихся в зоне их ответственности, и подтвердить свои обязательства по проекту и готовность следовать намеченному плану.