Как петербургские ученые из института НИИЭФА помогают создавать «искусственное солнце» — международный термоядерный реактор ITER

Как в СССР придумали термоядреные реакторы 

Давайте начнем с простого! НИИЭФА помогает строить термоядерный реактор ITER. Что это вообще такое и как родился этот проект?

МЕДНИКОВ: Идея получить электричество из термоядерного синтеза появилась в СССР около 70 лет назад. Тогда была придумана машина, в которой планировалось удерживать раскаленную плазму и преобразовывать выделенную ею нейтронную энергию в киловатт-часы. Однако эта реакция крайне сложная и нестабильная, для нее нужно создать очень специфические условия. Поэтому во время первых экспериментов в прошлом веке она длилась всего миллисекунды, а выделяемая энергия была совсем незначительной. ITER должен стать первой установкой, в которой реакция будет длиться около 10 минут и приведет к выделению до 500 мегаватт, что уже сопоставимо с производительностью энергоблока современной атомной станции.

А после на основе этой технологии должны быть построены уже коммерческие электростанции.

А в чем отличие термоядерной от ядерной реакции?

МЕДНИКОВ: В физическом принципе. В реакторе АЭС происходит деление радиоактивных «тяжелых» элементов, таких как уран, торий и плутоний. В результате деления получается поток нейтронов, который преобразуется в тепловую энергию и затем в электричество. А в термоядерной реакции используются, наоборот, легкие элементы из верхней части  таблицы Менделеева. При определенных, очень сложных условиях они сливаются и также выделяют поток нейтронов, который можно преобразовать в энергию аналогично АЭС.

А в чем смысл? Если реакция настолько сложная, что ее не удается «покорить» 70 лет, почему ученые все еще пытаются это сделать?

МЕДНИКОВ: Чтобы работала современная АЭС, необходимы сотни тонн обогащенного урана. При этом в ходе реакции сгорают буквально несколько процентов этого очень радиоактивного топлива, остальное надо обогащать заново или утилизировать, что грязно, дорого и неэкологично.

Термоядерная реакция излучает радиацию, только пока топливо горит внутри реактора. Как только этот процесс заканчивается, радиоактивность пропадает, если не считать облученных элементов в самой установке. Однако их все равно не сравнить с тысячами тонн урана, которые лежат в основе ядерной энергетики.

Ну и, наконец, само топливо — водород и его изотопы дейтерий и тритий. Эти элементы легко найти в атмосфере или воде. Их остается только выделить и отфильтровать.

БУРСИКОВ: Резюмируя, можно сказать, что это чистая и безопасная энергия, получаемая из практически неограниченного по своим запасам топлива.

Почему ITER строят «всем миром»

Сегодня над созданием термоядерного реактора работает больше десятка стран, почему так много?

БУРСИКОВ: Создать термоядерный реактор — это очень сложная задача. К 1980-м годам все поняли, что сделать машину нужных размеров и мощности одной стране просто не под силу и финансово, и технологически. Поэтому и решили создать международную кооперацию — так появился ITER.

МЕДНИКОВ: Здесь можно параллель с космосом провести — у нас была станция «Мир», у Америки были свои проекты. Потом все договорились и создали единую МКС, где каждая страна-у частница сделала по своему отсеку. Кто что хорошо умел — тот тем и занимался. Примерно так же было с ITER.

Что хорошо получалось делать у нас? Какую роль получил СССР, а затем и Россия?

МЕДНИКОВ: Как я уже сказал, идея использования термоядерной реакции, собственно, и появилась в СССР. Здесь же с 1950-х строили специальные экспериментальные установки для этого, они назывались токамаки. Поэтому у нас умели делать плюс-минус все. Однако в центре проекта ITER находится идея сотрудничества. Поэтому изготовление элементов установки было распределено по всему миру. России досталось чуть более 9 % от общего количества. Это сложнейшие обращенные к плазме компоненты в вакуумной камере, части самой вакуумной камеры, системы поджига плазмы, вся коммутирующая и защитная аппаратура реактора, сверхпроводники и катушка магнитной системы.

Искусственное солнце в рукотворном вакууме

Так, кажется, настало время объяснить, из чего состоит ITER, чтобы лучше понимать, какой вклад внесли наши ученые. 

МЕДНИКОВ: Грубо говоря, представьте себе металлическую «бочку» — это вакуумная камера. Внутри нее происходит термоядерная реакция, там находится горячая плазма. Вокруг этой «бочки» установлены мощные электромагниты — катушки. Одна из них разработана в нашем институте.

БУРСИКОВ: Магниты необходимы, чтобы удержать плазму в центре вакуумной камеры. Дело в том, что температура плазмы достигает 100 миллионов градусов. Если она коснется стенок, то вся камера мгновенно прогорит — ни один материал при таких температурах существовать не может. Магнитное поле не позволяет горящему топливу отклоняться и создавать такую опасность.

Однако сверхпроводниковые магниты, необходимые для решения этой задачи, могут работать только при очень низких температурах. Поэтому вокруг вакуумной камеры и катушек есть еще одна «бочка» — криостат. Внутри него вакуум и температура минус 269 градусов.

То есть в сердце системы горит плазма с температурой около 100 миллионов градусов, а вокруг вакуум и минус 269? Прямо как звезда в космосе.

МЕДНИКОВ: Именно! 

Почему именно институт НИИЭФА участвует в проекте?

БУРСИКОВ: Мы участвовали в создании еще старых советских токамаков. Да и вообще Н ИИЭФА занимается созданием электрофизической аппаратуры на протяжении всего времени существования института.

Что вы делаете для проекта?

МЕДНИКОВ: С 1980-х годов, когда стартовала программа ITER, было три проекта реактора. Во всех трех НИИЭФА так или иначе участвовал — наш отдел, в частности, активно занимался разработкой сверхпроводников, расчетами, связанными с магнитными полями. Если брать институт в целом, я думаю, мы в той или иной степени приложили руки ко всем компонентам ITER.

До сих пор наших специалистов привлекают к решению вопросов, возникающих при сборке реактора. Кроме того, регулярно отсюда выезжают фуры с оборудованием для ITER. Во Франции рядом с самим реактором огромная площадь размером с футбольное поле утыкана нашим электрооборудованием. 

Шесть лет на одну деталь

Теперь давайте поговорим о самом громком вкладе вашего института в ITER — о катушке, которую вы уже упоминали. Что это за устройство?

МЕДНИКОВ: Это одна из 30 катушек, которые будут установлены в термоядерном реакторе, и одна из шести катушек полоидального поля. Ее основная функция — создание мощного электромагнитного поля, которое бы удерживало плазму в центре вакуумной камеры.

Почему НИИЭФА доверили делать именно ее? Полагаю, из-за размеров. Дело в том, что она сравнительно невелика — около 9 метров в диаметре. Остальные катушки много больше — до 24 метров, поэтому их производят непосредственно во Франции, где и строится ITER.

Однако меньше — не значит проще. На изготовление этой катушки ушло около шести лет и порядка 6,5 километров сверхпроводящего кабеля.

Что было самым сложным при производстве этой катушки?

МЕДНИКОВ: Практически все — ITER машина непростая и работает на пределе прочности современных материалов. Их выбор и отработка технологий до начала непосредственного изготовления длились несколько лет. К тому же в России никогда сверхпроводниковые магниты такого диаметра не делались — пришлось решать целый букет инженерных и технологических проблем, связанных с габаритами.

Целым приключением было найти место, где ее произвести. Было очевидно, что изделие диаметром 9 метров и массой в 160 тонн сложно вывезти с территории института. Начали искать подходящую площадку, которая впридачу имела бы выход на судоходный водоем.

Кинули клич, отозвались даже в Северодвинске Архангельской области. Однако реконструкция цеха местного судостроительного завода оказалась слишком дорогой. И тут нам повезло, оказалось, прямо у нас под носом, в Петербурге, нашлось подходящее предприятие — Средне-Невский судостроительный завод, где мы в 2016 году и запустили производство, которое закончилось только в 2022 году.

Насколько я понимаю, отдельным приключением была доставка катушки во Францию?

МЕДНИКОВ: Да. Мы вышли на финишные испытания в феврале 2022 года и были уже готовы к отправке. Самым логичным было погрузить катушку на судно до Марселя.

Однако после событий февраля 2022 года эта доставка была отложена. Долго искали альтернативные варианты, и осенью удалось отправить разработку на неевропейском судне с перегрузкой в одном из европейских портов. Катушка успешно доплыла, все датчики фиксируют ее сохранность. Сейчас она лежит на складе ITER и ждет своего часа.

Вы сказали, что катушек в ITER в общей сложности 30, все они сделаны разными странами?

МЕДНИКОВ: Не все. Есть страны, где делали несколько штук, есть те, где производили по одной. Между катушками из разных государств есть заметные различия по материалам и технологиям. Только время покажет, кому удалось справиться лучше всего.

К сожалению, проверить это сейчас не представляется возможным. Мы поймем, работают ли катушки, только когда реактор начнет работу.

Когда же это произойдет?

БУРСИКОВ: Хороший вопрос. Официально ITER должен быть запущен в 2025 году. До этого сроки несколько раз переносились, потому что «чем дальше в лес, тем больше дров». Машина слишком сложная, и всего предусмотреть на этапе проектирования не получается. Многие решения принимаются при изготовлении и монтаже. Все это, конечно, приводит к некоторой сдвижке вправо.

Однако мы имеем все шансы увидеть это своими глазами, а потом внукам рассказывать о том, что имели отношение к этому проекту.

«Собака.ru»

благодарит за поддержку партнеров премии 

«ТОП50. Самые знаменитые люди Петербурга» — 2023:

Ювелирную компанию ALROSA Diamonds

Премиального петербургского девелопера Группу RBI

Компанию LADOGA

Официального дилера премиальных автомобилей EXEED Центр РОЛЬФ Витебский