Що таке «токамак» термоядерний реактор відкриє людству нову еру, наука, суспільство, аргументи
Російська абревіатура дала назву численним спорудженим по світу установкам, в яких плазма в процесі термоядерного синтезу утримується магнітним полем.
Ми знаємо, що українські слова «білуга», «горілка», «самовар» увійшли в іноземні мови без перекладу. Але, крім іронії, це нічого не викликає. Інша справа таке «неперекладне» слово, як «супутник», що показує високий потенціал вітчизняної науки і техніки. Але «супутник» вже в минулому. Чи з'явився якийсь новий термін, який може викликати гордість за країну?
200 тис. КВт-год електроенергії достатньо, щоб забезпечити всі потреби сучасного європейця протягом 30 років. Для вироблення такої кількості елект-річества достатньо однієї ванни води (45 л) і стільки літію, скільки його міститься в одній батарейці для комп'ютера. Але при нинішніх технологіях отримання енергії за рахунок викопного палива на це йде 70 т вугілля.
Є ще одне слово, яке на всіх мовах вимовляється однаково - «токамак». Російська абревіатура дала назву численним спорудженим по світу установкам, в яких плазма в процесі термоядерного синтезу утримується магнітним полем. Токамака називають і майбутній реактор міжнародного проекту ІТЕР, який повинен дати людству доступ до практично невичерпного джерела енергії.
«Це російське слово, - каже учасникам прес-туру до Міжнародної організації ІТЕР (Інтернаціональний термоядерний експериментальний реактор. - Авт.) Роберт Арно зі служби комунікацій. - А що воно означає, скаже мій колега ізУкаіни ».
І Олександр Петров, представник українського Проектної центру ІТЕР. охоче пояснює: «тороідальн камера з магнітними котушками!» Потім йому ще не раз довелося повторювати це в диктофони і камери журналістів країн Європи, Кореї, Китаю, Канади ...
Як відбувається синтез?
Ідею токамака запропонував академік Лаврентьєв, а допрацювали її Андрій Сахаров і Ігор Тамм. Якщо нинішні технології ядерної енергетики засновані на реакції розпаду, коли з більш важких ядер утворюються більш легкі, то при термоядерному синтезі, навпаки, легкі атомні ядра з'єднуються, утворюючи більш важкі.
В основному мова йде про ізотопи водню - дейтерії і тритію. Ядро першого складається з протона і нейтрона, а ядро другого - з протона і двох нейтронів. У звичайних умовах однаково заряджені ядра, звичайно, відштовхуються один від одного, але при надвисоких температурах, навпаки, з'єднуються. В результаті утворюється ядро гелію плюс один вільний нейтрон, але головне - при цьому вивільняється величезна кількість енергії, яку раніше атоми витрачали на взаємодію один з одним. Дейтерій легко «дістається» з води, а тритій більш нестабільний, тому напрацьовується всередині установки за рахунок реакції з літієм.
Один термоядерний реактор - Сонце - дав людству можливість жити на нашій планеті, зігріваючи своїм теплом. У центрі зірки, де під впливом гравітації досягається дуже висока щільність плазми, реакція протікає при температурі 15 млн ° С. На Землі досягти такої щільності не вийде - залишається тільки підвищувати температуру. У реакторі проекту ІТЕР вона повинна досягати 150 млн ° С - в 10 разів вище, ніж в сонячному ядрі!
Хто-небудь, крім фізиків, може собі таку уявити? А який з можливих на Землі матеріалів може її витримати? Немає такого. Тому і придуманий токамак. Його вакуумна камера в формі пустотілого «бублика» оточується сверхпроводящими електромагнітами - вони створюють тороїдальне і полоідальним магнітні поля, які не дозволяє розпеченій плазмі торкатися стінок камери. Є ще й центральний електромагніт - індуктор. Зміна струму в ньому викликає в плазмі рух частинок, необхідне для синтезу.
Палива для термоядерного синтезу потрібно мінімум, а безпеку значно вище, ніж при нинішніх технологіях. Адже щільність плазми дуже мала (в мільйон разів нижче щільності атмосфери!) - відповідно ніякого вибуху бути не може. А при найменшому зниженні температури реакція припиняється - тоді плазма, як кажуть фізики, просто «обсипається», не завдаючи жодної шкоди довкіллю. Крім того, завантажуватися паливо буде безперервно, тобто роботу реактора легко зупинити в будь-який момент. Радіоактивних відходів він практично не виробляє.
Наскільки довгий шлях?
З кінця 60-х, коли успіх радянських фізиків в області керованої термоядерної реакції став очевидним, токамаки з'явилися не тільки вУкаіни, але і в Казахстані, США, Європі, Японії, Китаї. Вони довели, що створювати і утримувати високотемпературну плазму, в якій йде реакція, реально. Однак до сих пір утримання було коротким, обчислюючи секундами, а також витратним в сенсі енергії, витраченої на розігрів. Для науки такі результати були достатніми, а для того щоб людство могло зробити крок в нову енергетичну еру - немає.
І тоді народилася ідея міжнародного проекту, основне завдання якого - побудувати реактор, здатний виробляти енергію в обсягах, значно більших, ніж необхідно для підтримки термоядерної реакції. Q ≥ 10 - так формулюють її фізики.
Початок був покладений в 1985 р на зустрічі глав СРСР і США. Проект назвали Міжнародним термоядерним експериментальним реактором: ITER - в англійській транскрипції, ІТЕР - в російській. Він вирішує загальну для всього людства завдання, та й масштаб такий, що жодній країні не потягнути, тому і став міжнародним. Сьогодні в ньому беруть участь країни ЄС, Китай, Індія, Японія, Республіка Корея, Україна та США. Участь кожного боку визначено: Європа - 45%, решта - по 9% з невеликим, але виражається це не валютою, а відчутним внеском - виконаними роботами або виготовленим обладнанням.
Знадобилися десятиліття, щоб проект вишикувався і «викреслити» - на папері, в 3D-моделях. І тепер уже його риси і лінії наносяться на реальній майданчику на півдні Франції, по сусідству з дослідним центром Кадараш, в якому є свій токамак.
У чому наш внесок?
«В рамках українських зобов'язань виготовляється 25 систем для ІТЕР. Це не експерименти і не НДДКР - це обладнання, яке треба поставити в Кадараш в термін », - каже Анатолій Красильников, керівник проектного центру ІТЕР - українського агентства ІТЕР.
Саме обладнання це унікально - в більшості випадків для його створення розробляються абсолютно нові технології. Наприклад, перша стінка Бланкета ( «ковдри») плазмової камери, на яку доведеться максимальна температурна навантаження. Які матеріали зможуть витримати? Які нюанси в конструкцію потрібно закласти? На ці питання вже знайшли відповіді в Науково-дослідному інституті електрофізичної апаратури ім. Д. В. Єфремова (НІІЕФА). Стінка буде з берилію, і не суцільна, а нарізана маленькими квадратними пластинками - щоб матеріалу легше було «дихати» і він не розтріснувся від високих температур, як земля в літню спеку.
Ще одна серйозна задача, яку вже вирішили росатомовскіе вчені і фахівці, - з'єднання один з одним різних матеріалів: берилію - бронзи, міді - нержавіючої сталі, вольфраму - міді. Звичайна сварка для умов проекту не підходить, тому мідь наплавляют на вольфрам у вакуумній камері, сталь з'єднують з міддю методом «зварювання вибухом» - тоді утворюється єдиний металевий блок, який вже не роз'єднати навіть надвисоким температур.
Участь в проекті - серйозний поштовх не тільки для вітчизняної науки, але й для економіки країни, оскільки дає можливість зробити крок на інший рівень технологій і виробництв, а іноді і стрибнути. Наприклад, на Чепецькому механічному заводі за 4 роки з нуля освоїли виробництво продукції з титанових сплавів. У минулому році наші атомники вже завершили поставки надпровідних Стренд для ІТЕР. Завдяки участі в проекті на заводі запущена нова - складна і дорога - номенклатура виробів, що значно підвищило доходи підприємства.
Чому пробуксовки?
Власне, бажанням оволодіти технологіями багато в чому пояснюється міжнародна кооперація в проекті. Адже незалежно від того, хто займався розробкою або виробництвом конкретної деталі або конструкції, створені технології стають загальним для всіх країн-учасниць інтелектуальним продуктом і можуть використовуватися ними в інших цілях.
Правда, демократичні умови участі та відсутність загального бюджету проекту обернулися тим, що не всі справляються зі своїми зобов'язаннями в строк. Почалися затримки і розбіжності. І якщо кУкаіни ніяких претензій немає, вона - сама обов'язкова сторона в проекті, то в тій же Європі намітилося помітне відставання.
«Ми думали, що дотримуватися встановлені терміни вийде просто завдяки сумлінності і добрим намірам. Тепер зрозуміли, що без суворого менеджменту нічого не вийде. Але мова не про те, хто ким буде керувати, - ми повинні навчитися працювати разом », - каже Б. Биго.
Навіщо мріяти?
Новий гендиректор - з тих вчених, які не просто вірять в проект, але переконані в його успіху. «Ні« плану Б », немає альтернативи, - вважає він. - Ми можемо вносити коригування. Але це вже - реальна історія ».
Реальністю називають проект і сотні наших вчених і фахівців. А як же ще? Адже в організації ІТЕР поки нічого, крім офісної будівлі і будмайданчика, немає. Але в наших росатомовскіх НДІ і на його підприємствах, а також в інших організаціях і компаніях, задіяних в проекті, - є. Уже зробили надпровідники, випустили небачені досі кабелі, де сотні скручених проводів поміщені в оболонку з міді і стали, приступили до намотування котушок. Нещодавно в пітерському НІІЕФА пройшли успішні випробування прототипу резисторів для швидкого виведення енергії з обмоток магнітної системи, а в Нижньому Новгороді в НПП «Гіком» - випробування прототипу гіротронного комплексу для генерації струму і нагрівання плазми. В інституті ТРИНИТИ знайшли реальні риси алмазні детектори для вертикальної нейтронної камери.
Однак реальність і мрія в ІТЕР невіддільні одна від одної. Вченим і фахівцям, захопленим своєю роботою, проект не просто відкрив нові перспективи - він їх одухотворити. Євген Вєщєв, фахівець з діагностики, згадує, як, будучи студентом МІФІ, вперше побачив токамак і прослухав лекцію про перспективи термоядерної енергетики. Він був просто окрилений, дізнавшись про проект, і подумав: «Як це здорово - бути причетним до такої важливої для людства справі!» І тепер щасливий, тому що кожен день вносить в нього свою лепту.
«Мрії можуть бути витратними - як місія« Аполлон »або програми NASA, - з натхненням говорить Марк Хендерссон, керівник секції електронного циклотрона. - Але ми повинні мріяти! У тому числі про новий ядерний синтез, який можна назвати Прометеєм сьогоднішнього дня ».
Думка експерта:
Сергій Кирієнко, генеральний директор Держкорпорації «Росатом»:
- Необхідно об'єднати зусилля всіх учасників для того, щоб забезпечити розвиток нашої галузі, сформувати нове покоління в ній, об'єднавши при цьому і гроші, і час, і головне - досвід.
Ми всі повинні об'єднати зусилля для реалізації таких міжнародних проектів, як ІНПРО під егідою МАГАТЕ або здійснюваний у Франції проект ІТЕР.