7 миллиардов тенге из бюджета страны, вложенных в строительство, и 6 лет вынужденного простоя в поисках источников финансирования. Проект казахстанского материаловедческого токамака был на грани закрытия. Однако ситуация радикально изменилась благодаря новым направлениям международного сотрудничества. Журналист Григорий Беденко побывал в Курчатове и специально для Infromburo.kz подготовил репортаж о перспективах исследований в области управляемого термоядерного синтеза.
Немного истории
В середине XX века самые развитые страны мира очень быстро овладели атомной энергией и научились использовать её как в военных оружейных программах, так и для получения больших объёмов тепловой и электрической энергии в мирных целях. Однако процесс управляемого распада атомного ядра оказался крайне небезопасным для окружающей среды. Аварии на атомных станциях и колоссальная проблема с утилизацией высокоактивных отходов лишили этот вид энергетики перспектив. Тогда же, в середине века, учёные выдвинули гипотезу о том, что альтернативой может стать управляемый термоядерный синтез. Специалисты предлагали повторить в земных условиях процессы, происходящие в недрах звёзд, и научиться не только их контролировать, но и получать энергию в необходимых для существования цивилизации количествах. Как известно, в основе термоядерного синтеза лежит принцип слияния лёгких ядер водорода в более тяжёлые с образованием гелия. При этом выделяется значительно больше энергии, чем при обратном процессе, когда ядра тяжёлых элементов делятся на более лёгкие с огромным энерговыделением и образованием изотопов различных элементов таблицы Менделеева. Вредных воздействий и опасных отходов производства в термоядерных реакторах нет.
Любопытно, что сам процесс термоядерного синтеза был достаточно легко воссоздан для оружейных программ, однако разработка мирных энергетических проектов оказалась практически нерешаемой задачей. Главное для водородной бомбы – это, собственно, запустить процесс синтеза, который происходит за наносекунды. Но для энергетического термоядерного реактора необходимы особые условия. Чтобы получить энергию, необходимо за определённый промежуток времени удержать в контролируемом состоянии высокотемпературную плазму – она разогрета от 10 до до 30 миллионов градусов Цельсия. При удержании такой плазмы создаются физические условия для слияния лёгких ядер дейтерия и трития в тяжёлые. Причём энергии должно выделиться больше, чем затраченной на разогрев и удержание плазмы. Считается, что однократный импульс с протеканием управляемого термоядерного синтеза с положительным коэффициентом энерговыделения должен продолжаться не менее 500 секунд. Но за такое время и при таких температурах ни один конструкционный материал перспективного реактора не выдержит. Он просто испарится. И вот над проблемой материаловедения ученые всего мира почти безрезультатно бьются уже более полувека.
Это сильно замедленное видео показывает образование плазмы в казахстанском токамаке (материалы предоставлены Институтом атомной энергии НЯЦ РК)
Образование плазмы в КТМ
Что такое токамак и стелларатор?
Аббревиатура русская, как как первая установка была разработана в Советском Союзе. Токамак – это тороидальная камера с магнитными катушками. Тор представляет собой трёхмерную геометрическую фигуру (по форме напоминающую бублик, если простыми словами), а тороид – тонкий провод, намотанный на каркас в форме тора. Таким образом, высокотемпературная плазма в установке образуется и удерживается в форме тора. При этом главный принцип токамака сводится к тому, что плазма не взаимодействует со стенками камеры, а как бы висит в пространстве, удерживаемая сверхмощным магнитным полем. Схему термоизоляции плазмы и метод использования подобных установок в промышленных целях впервые предложил советский физик Олег Александрович Лаврентьев. Первый токамак был построен в 1954 году и долгое время существовал только в СССР. До настоящего времени в мире было построено где-то около двух сотен подобных устройств. Сейчас действующие тороидальные камеры для исследования управляемого термоядерного синтеза есть в России, США, Японии, Китае и в Евросоюзе. Самым крупным международным проектом в этой сфере является ITER (об этом чуть позже). Инициатором строительства материаловедческого токамака в Казахстане был руководитель российского Курчатовского института академик Евгений Павлович Велихов. С 1975 года он возглавлял советскую программу управляемых термоядерных реакторов. Идея построить установку на бывшем Семипалатинском ядерном полигоне появилась в 1998 году, когда Велихов встретился с президентом РК Нурсултаном Назарбаевым.
Стелларатор представляет собой альтернативный токамаку тип реактора для осуществления управляемого термоядерного синтеза. Изобретён американским астрофизиком Лайманом Спитцером в 1950 году. Название происходит от латинского слова stella (звезда), что указывает на аналогичность процессов внутри звёзд и в рукотворной установке. Главное отличие состоит в том, что магнитное поле для изоляции плазмы от внутренних стенок камеры полностью создаётся внешними катушками, что позволяет использовать его в непрерывном режиме. Плазма в стеллараторе образуется в форме “мятого бублика” и как бы закручивается. На сегодняшний день исследовательские стеллараторы есть в России, на Украине, в Германии и в Японии. Причём в Германии недавно запущен крупнейший в мире стелларатор Wendelstein 7-X (W7-X).
– Это всё исследовательские установки, – рассказывает руководитель научной группы проекта КТM Бауржан Чектыбаев. – Стелларатор отличается конфигурацией магнитного поля. В токамаке для удержания плазмы применяется так называемая тороидальная обмотка и полоидальная внешняя обмотка. А в стеллараторе наоборот – там накрученная по спирали обмотка, которая выполняет функции и тороидальной, и полоидальной. Токамак изначально является импульсной установкой, а стелларатор – более стационарная установка, то есть преимущество закрученной обмотки позволяет неограниченно долго удерживать плазму. Стеллараторы разрабатывались в одно время с токамаками, и в свое время токамаки вырвались вперёд по параметрам плазмы. Во всем мире началось “шествие” токамаков. Но тем не менее стеллараторы развиваются. Они есть в Японии, в Германии недавно построили – был введён в эксплуатацию Wendelstein 7-X (W7-X). В США есть стелларатор. Кроме того, есть огромное количество всевозможных исследовательских установок с отчасти магнитным удержанием плазмы – это ловушки различные. Также есть инерциальный термоядерный синтез, когда маленькая мишень нагревается под действием лазерного излучения. Это такой маленький термоядерный взрыв.
И всё же наиболее перспективным в качестве промышленного термоядерного реактора на сегодняшний день считается токамак.
Токамак в Казахстане
Казахстанская установка была построена к 2010 году на специально отведённой площадке в административной зоне бывшего Семипалатинского полигона – городе Курчатове. Комплекс состоит из нескольких технологических зданий, в которых размещены узлы и агрегаты токамака, а также мастерские, помещения для обработки данных, размещения персонала и т.п. Проект был разработан в России на базе Национального центра термоядерных исследований (Курчатовский институт). Вакуумную камеру, магнитные катушки и прочее проектировали и собирали в НИИ электрофизической аппаратуры им. Д.В. Евремова (НИИ ЭФА), автоматику – в Томском политехническом институте. Участниками проекта с российской стороны также стали Всероссийский институт токов (НИИ ТВЧ), ТРИНИТИ (Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований). Генеральным проектировщиком от Казахстана выступило ТОО “Промэнергопроект”, а непосредственно монтировало комплекс УПК “Казэлектромонтаж”. После завершения всех работ КТМ был запущен и дал первую плазму. Затем финансирование проекта свернули, и токамак на долгие шесть лет превратился в дорогостоящий высокотехнологичный туристический объект.
Вторая жизнь КТМ
Перезагрузка проекта произошла накануне ЭКСПО-2017 в Астане. Он отлично стыковался с концепцией Всемирной выставки, посвящённой энергии будущего. Девятого июня установка была вновь запущена в присутствии большого количества журналистов. На пуске присутствовали российские разработчики. Как было заявлено в ходе торжественного мероприятия, цель первого этапа физического пуска – отладка и проверка штатных систем КТМ. Также, по словам руководителя Национального ядерного центра РК Эрлана Батырбекова, на базе казахстанского токамака учёные из разных стран смогут проводить широкий спектр исследований, в том числе по модернизации существующих промышленных реакторов.
Бауржан Чектыбаев, руководитель научной группы проекта КТM
– 10 июня был заключён меморандум о совместном проведении исследований между ITER и КТМ. В рамках этого договора сейчас готовится проект по взаимодействию с Международной организацией ITER. Они заинтересованы в нашей установке. Сам по себе проект ITER тоже не простой, есть проблема материалов. В рамках проекта мы будем исследовать вольфрам и бериллий. Определённые узлы и детали ITER будут сделаны из этого материала. Мы их будем обкатывать. Вся первая стенка реактора ITER будет выложена плитками из вольфрама и бериллия. Сама вакуумная камера состоит из дивертора, куда стекают потоки плазмы, там наиболее напряжённое место – 20 МВт на квадратный метр. Там будет вольфрам. Остальная часть первой стенки будет выложена бериллием.
– Почему в ITER так заинтересовались нашим токамаком?
– Кроме материаловедения, задача нашей установки – исследования физики плазмы. КТМ уникален с точки зрения аспектного отношения. Есть такой параметр, один из основных для токамаков – отношение большого радиуса от оси к центру плазмы к малому, то есть от оси плазмы к её краям. У нас этот параметр равен двум. В том же ITER – 3,1. Все токамаки, которые более 3, являются классическими. Есть современное направление токамаков – это сферические токамаки, у которых аспектное отношение меньше 2 – полтора и даже ниже – крутые такие, почти сферические камеры. Наш токамак находится как бы в пограничном положении, между классическими и сферическими токамаками. Таких установок пока ещё не было, и здесь, думаю, будут вестись интересные исследования на тему поведения плазмы. Такие установки рассматриваются в качестве гибридных будущих реакторов, или объёмных источников нейтронов.
– Насколько перспективно сотрудничество с ITER? Cпасёт ли оно проект?
– В 2010 году был пробный пуск на том оборудовании и с той готовностью, которая была на тот момент. Задача была – показать, что установка "дышит" – способна работать. В том же десятом году у нас закончилось финансирование. Затем было шесть лет простоя. Всё это время мы боролись за бюджет. Ранее он был утверждён в 2006-м, и пришлось его полностью пересматривать. У нас около 80% оборудования зарубежное, и в контексте известных событий в мировой финансовой системе объект стал значительно дороже, чем изначально планировалось. В 2016-м после корректировки бюджета проекта было выделено дополнительное финансирование. Установка уже обошлась казахстанскому бюджету в 7 млрд тенге. Это строительно-монтажные работы, изготовление вакуумной камеры и электромагнитной системы.
– Что сейчас происходит? В июне был пробный пуск.
– Сейчас создание КТМ находится на своей завершающей стадии. В настоящее время проводится монтаж и наладка основных и вспомогательных систем. У нас заключён договор с генеральным подрядчиком, выигравшим тендер. Работают две компании, одна занимается строительно-монтажными работами, вторая – пусконаладочными работами. “КазИнтелгрупп” занимается строительно-монтажными работами, "Гарант Качества XXI век" – пусконаладочными. В этом году планируется завершить строительство установки. Затем до конца года будет проведён физический пуск. В 2018 году установка будет введена в эксплуатацию, и начнутся полномасштабные эксперименты. В течение 3 лет мы планируем прийти к номинальным проектным параметрам, которые заложены в установку, и дальше уже исследовать материалы.
– А как у вас обстоят деле с подбором сотрудников?
– Большинство молодых специалистов – это выпускники казахстанских вузов, из Усть-Каменогорска, Павлодара и Семея. Кое-кто заканчивал российские вузы, например, Томский политехнический университет. Вопрос с кадрами стоит остро. По проекту должно быть около 120 человек, работают человек 40. В следующем году, когда комплекс будет введён в эксплуатацию, тогда будет набор. Но найти специалистов в данном направлении – это отдельная непростая задача.
Дмитрий Ольховик, начальник отдела систем автоматизации экспериментов КТМ
– Особенность КТМ в том, что в нём есть поворотно-диверторное устройство, то есть все исследуемые материалы можно вращать внутри камеры. Помимо этого есть и транспортно-шлюзовое устройство. Это даёт возможность перезаряжать исследуемые материалы без разгерметизации вакуумной камеры. На других установка есть определённые сложности: если разгерметизировали камеру, чтобы её опять подготовить к новым пускам, необходимы как минимум неделя-две. Мы можем за одну кампанию спокойно заменять исследуемые образцы, при этом не тратя времени на разгерметизацию. В этом экономическое преимущество установки.
– А как будут проводиться эксперименты?
– На таких установках в год проводятся две экспериментальные кампании. К примеру, проводим кампанию весной, затем летом анализируем полученные данные и планируем дальнейшие эксперименты. Вторая кампания проводится осенью. Сама кампания длится от двух до трёх месяцев. На пути к созданию энергетического термоядерного реактора есть две основные проблемы. Первая – отработка технологии получения и удержания плазмы, вторая – разработать материалы, те, которые обращены к плазме непосредственно, потому что плазма высокотемпературная. Летят громадные потоки энергии, воздействуют на материал. Материал в свою очередь разрушается, распыляется. И попадание этих частиц в плазму оказывает крайне негативный эффект. Плазма очень чувствительна к примесям. Они остужают плазму и в конце концов гасят её. Есть ещё тема нейтронного воздействия на конструкционные материалы. На нашем токамаке будут обкатываться материалы на предмет их теплостойкости. Имеются в виду их нераспыляемость и совместимость с плазмой. В качестве таких материалов будут изучаться вольфрам и бериллий. Будем их испытывать, смотреть, как они себя ведут в условиях высоких потоков плазмы, таких же, как и на ITER.
– Какие работы проводятся для дооснащения КТМ?
– Монтаж технологических систем для вакуумной системы, системы охлаждения. Это очень сложная электроустановка. Чтобы получить магнитное поле, нужно забрать очень много энергии из сети. Для преобразования энергии существует определённый комплекс. Начиная от системы импульсного электропитания – очень много используется несущих трансформаторов, и используется терристорный преобразовательный комплекс, то есть довольно-таки сложная система с точки зрения эксплуатации, управления, и система очень распределена. То есть все эти работы сейчас производятся, производится наладка источников питания.
Работа с новым оборудованием КТМ
– Подобные установки требуют очень большого количества электроэнергии для работы. КТМ много будет потреблять?
– При работе в номинальном режиме забор электроэнергии из сети составит порядка 80-100 МВт. За один эксперимент. Есть ещё штатная система дополнительного нагрева, которая также будет закачивать энергию из сети.
– Известно, что в Казахстане у значительной части населения наблюдается радиофобия. Это такие социально-психологические последствия ядерных испытаний. Насколько безопасными будут ваши исследования?
– Считается, что управляемый термоядерный синтез – это альтернативная экологически безопасная энергетика. Аварий, подобных Чернобыльской, Фукусимской и т.п., здесь просто физически не может произойти. Самое серьёзное, что может произойти – это разгерметизация вакуумной камеры, где происходит удержание плазмы. При этом происходит гашение плазмы и утечка вот этих нескольких граммов термоядерного топлива, которое находилось в камере.
И ещё несколько любопытных фактов про ITER, крупнейший в истории подобных исследований международный проект, на который наши специалисты возлагают большие надежды. Как уже было сказано выше, ITER – это международная организация, в которую входят более десятка стран: Россия, Франция, Япония, Китай, Индия, Евросоюз, Канада, США. Любопытно, что вклад каждой страны в проект производится в виде готовой продукции. К примеру, Россия выпускает часть криогенных обмоток на сверхпроводниках, энергетическое оборудование и т.п.
ITER – это не энергетическая ещё установка, она не будет давать энергию. Это демонстрация технологии осуществимости получения плазмы с выходом энергии. После ITER, когда технологии будут отработаны, создадут демонстрационный реактор, который будет уже давать энергию. Это произойдёт где-то в 40-50-х годах XXI века. То есть спустя 100 лет после начала исследований на данную тему.
В проекте ITER заложено около 500 секунд непрерывной работы. Реактор импульсный. В принципе, предусматривается до 1000 сек. – как пойдёт. Когда все технологии будут выбраны, утверждены материалы и конструкция, дальше будет создаваться DEMO. Уже решено, что этот реактор будет строиться в Японии.
По всей видимости, принцип действия энергетического термоядерного реактора будет следующим. Первый элемент, который будет принимать на себя тепловую энергию плазмы, внутри себя будет содержать каналы для теплообмена. Дальше всё, как на обычной электростанции – нагрев теплоносителя второго контура, раскрутка турбин и получение электрической энергии.
Физический пуск ITER будет произведён в 2025 году. В эксплуатацию же его введут в 2028 году. По результатам работы в том числе рассматривается вариант создания гибридных реакторов – где нейтроны от термоядерного синтеза используются для расщепления ядерного топлива.
