"Спутник, водка, токамак". Во Франции начали строить искусственное солнце
В исследовательском центре Кадараш на юге Франции, в 65 км от Марселя, началось строительство первого в мире экспериментального термоядерного реактора ИТЭР. Церемонию открыл президент Эммануэль Макрон — под музыку из киносаги "Звездные войны".
Ученые всерьез называют ИТЭР искусственным солнцем. В вакуумной камере размером с 10-этажный дом — 30 м в высоту и столько же в диаметре — планируется в промышленном масштабе воспроизвести процесс термоядерного синтеза, питающий энергией нашу звезду.
Россия не только один из основных партнеров этого амбициозного научного проекта, но и его старейший участник. Сама идея термоядерного реактора, которую сейчас пытаются реализовать без преувеличения всем миром, принадлежит советским ученым из Института атомной энергии им. Курчатова.
В теории термоядерный синтез — неисчерпаемый источник энергии. Всего нескольких граммов водородного топлива достаточно, чтобы обеспечить теплом и электричеством тысячи домов, а "брикет" размером с ананас может заменить 10 тыс тонн угля.
Только, в отличие от традиционных тепловых или атомных электростанций, термоядерный реактор не загрязняет атмосферу выбросами парниковых газов и не оставляет токсичных радиоактивных отходов.
"Мы вдохновлялись Вселенной и звездами, где термоядерный синтез создает энергию на миллиарды лет вперед", — заявил генеральный директор ИТЭР Бернар Биго.
Участники проекта подчеркивают: ИТЭР — экспериментальный реактор. Это не термоядерная электростанция, а площадка для беспрецедентного физического эксперимента.
Однако, если все пойдет по намеченному плану, этот эксперимент определит будущее всей энергетики на планете.
"ИТЭР — совершенно потрясающий научный проект. Он объединил весь мир для создания чистого и возобновляемого источника энергии — энергии будущего, — заявил Би-би-си глава британского агентства атомной энергетики Иэн Чапман. — Это возможность продемонстрировать всему миру, что реакция термоядерного синтеза возможна и на Земле".
"Спутник, икра, водка, токамак"
ИТЭР — самая масштабная научная стройка в истории человечества. В эксперименте принимают участие 35 стран: Индия, Китай, Россия, США, Южная Корея, Япония и страны ЕС (плюс Великобритания и Швейцария) — это 80% всей мировой экономики и больше половины населения планеты.
При этом все страны-участницы признают, что авторство идеи термоядерного реактора принадлежит России. Само слово "токамак" (именно так называется тип реакторной установки) — это русская аббревиатура: тороидальная камера с магнитными катушками.
"Токамак — это такой бублик из плазмы, по которому течет ток, — объясняет Би-би-си глава российского агентства ИТЭР Анатолий Красильников. — Это одно из тех слов, которые весь мир выучил благодаря советским, российским ученым. Спутник, икра, водка, токамак — эти слова без перевода поймет любой иностранец".
Красильников занимается термоядерным синтезом (или, как называют его специалисты, "термоядом") уже больше 40 лет. В 1981 году он окончил МФТИ и пришел на работу в Курчатовский институт. А в 1985 было подписано историческое соглашение между США и СССР о совместном строительстве токамака.
"Горбачев с Рейганом договорились вместе строить реактор как пример того, что две великие державы могут не только воевать друг против друга в холодной войне, но и что-то делать вместе, реализовывать какие-то совместные научные проекты, — вспоминает Красильников. — А вскоре к нам присоединились Япония и Евросоюз".
После окончания холодной войны США в одностороннем порядке вышли из соглашения — в расчете на то, что без американского финансирования проект придется свернуть. Однако оставшиеся партнеры продолжили работу — более того, к разработке токамака подключились Индия, Китай и Южная Корея. В Вашингтоне, кажется, поняли, что просчитались.
"Тогда Штаты попросились назад, и, кажется, в 2004 году их приняли обратно, — рассказывает Красильников. — Так что, если они и сейчас выйдут — ничего страшного. Проект определяется не ими, и не они вносят ключевой вклад".
После того как площадкой для строительства реактора утвердили французский Кадараш, основной объем финансирования (45%) взял на себя Евросоюз. Остальные расходы страны-участницы, в том числе Россия и США, делят поровну.
"Это Солнце на Земле"
Топливом в токамаке служат две разновидности водорода (их называют изотопы) — дейтерий и тритий. В отличие от нефти, газа и урановой руды, запасы и того и другого практически не ограничены: один в промышленных масштабах добывается из воды Мирового океана, другой — из лития, в результате довольно несложной реакции.
В мире созданы сотни токамаков, но ИТЭР — первый реактор, где термоядерный синтез планируется поддерживать за счет цепной реакции горения самой плазмы. Для этого нужно "всего лишь" разогреть водород до нескольких миллионов градусов и каким-то образом удержать его, не дав раскаленной плазме разлететься.
"Это Солнце на Земле, только с температурой в 10 раз выше, — объясняет Красильников. — Но Солнце — это огромный шар, оно само себя удерживает за счет гравитации, а мы для этого используем магнитное поле. Расплавить его невозможно — получается как бы магнитная стенка, и в этом уникальность советского изобретения".
Как это работает
- В полое кольцо токамака впрыскивается несколько граммов дейтерия и трития — изотопов водорода
- Водород нагревается до температуры в несколько млн градусов, превращаясь в плазму — ионизированный газ, в котором электроны оторваны от ядер атомов
- Магнитное поле, обеспечиваемое сверхпроводящими магнитами общим весом в 10 тыс тонн, удерживает плазму и придает ей форму
- Когда температура достигает примерно 150 млн градусов (это в 10 раз жарче, чем на Солнце), начинается термоядерная реакция
- Атомы дейтерия и трития сливаются, образуя один атом гелия-4 и один нейтрон, обладающий огромной энергией (около 3,5 МэВ)
- Нейтроны покидают магнитную ловушку, и за счет своей кинетической энергии нагревают воду в стенках токамака
- Вода превращается в пар, который вертит турбины
- Но главное отличие, по словам ученых, — это абсолютная безопасность термоядерного реактора, поскольку там попросту нечему взрываться.
"В случае аварии наш бублик просто потухнет, и его придется зажигать заново, — уверяет Красильников. — Температура плазмы в ИТЭР — около 200-300 млн градусов. Если даже случится так, что магнитное поле не выдержит и плазма выплеснется на стенку реактора, температура сразу же упадет на порядок — и реакция просто прекратится".
"Все, что только понасоздавало человечество"
Все эксперты сходятся в том, что осуществить грандиозный проект в одиночку было бы не под силу ни одной стране мира. И дело даже не в деньгах, а в уникальных ноу-хау, разработанных учеными в рамках международного сотрудничества.
"По существу это клуб технологически развитых стран, каждая из которых принесла в проект свою технологию, — уверяет Красильников. — Мы придумали токамак, кто-то придумал первую стенку, кто-то — метод дополнительного нагрева, кто-то — лучшие инжектора, кто-то — сверхпроводники… ИТЭР объединил на своей площадке все, что только понасоздавало человечество".
Например, магнитные катушки реактора. Каждая из них размером с четырехэтажный дом и весом 360 тонн. Для создания сверхпроводимости магниты охлаждены жидким гелием до -269 градусов по Цельсию.
13-метровый центральный соленоид весит 1000 тонн и создает магнитное поле такой силы, что его хватит, чтобы поднять в воздух авианосец.
Большинство систем создано в сотрудничестве сразу несколькими партнерами. Например, одна из деталей, собранных во вторник, создана в рамках ответственности России — то есть разработана российскими учеными в Петербурге (НИИ электрофизической аппаратуры им. Ефремова), — но собирали ее контрактники в Германии.
Согласно соглашению о партнерстве, все государства-члены ИТЭР имеют равные права на использование токамака и всех использованных при его строительстве технологий. Выйдя из проекта, любая страна-участница рискует оказаться в научной изоляции.
Впрочем, выходить никто и не собирается. По словам участников проекта, ИТЭР — это еще и уникальный социальный эксперимент: когда люди из разных культур, с разной ментальностью работают вместе, они учатся друг у друга и понимают, как друг с другом общаться — а это не менее важно, чем все остальное.
"В политическом смысле наши страны наверняка будут переживать и потепление, и похолодание отношений, — уверен Красильников. — Но ИТЭР будет, как ледокол, идти вперед".
