Совсем недавно в рамках грандиозного проекта Международный экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР был запущен токамак JT-60SA в Японии. Новая машина еще на шаг приблизила человечество к термоядерной энергетике. Корреспондент «Поиска» встретился с Анатолием КРАСИЛЬНИКОВЫМ — директором «Проектного центра ИТЭР» в России, чтобы узнать, а что дальше?
— Анатолий Витальевич, под конец 2023 года произошло важное событие: в Японии успешно заработал JT-60SA. Как он связан с ИТЭР?
— Еще на этапе планирования, когда страны — участницы ИТЭР обсуждали, где возводить реактор, Япония очень хотела, чтобы строительство велось на ее территории. Однако большинство проголосовало за Европу. Тем не менее было принято решение параллельно с установкой во Франции создать сателлитную машину JT-60SA в Японии.
Сегодня этот токамак стал самым большим в мире, его радиус — 2,96 метра. Он успешно запущен и теперь будет отрабатывать алгоритмы и методы управления горением плазмы при термоядерных параметрах. Несомненно, JT-60SA станет заметным вкладом в мировой токамачный парк. Но надо понимать, что JT-60SA — это еще не реактор. Все-таки реактор — устройство, в котором генерируемая термоядерная мощность должна превышать мощность, затрачиваемую на нагрев и поддержание плазмы. В ИТЭР это отношение будет составлять 10:1.
В японском токамаке оно близко к единице, и то в пересчете, потому что машина работает без трития — там дейтериевая плазма. То есть реальная термоядерная мощность JT-60SA в сто раз ниже всех затрат.
— В ноябре прошло ежегодное заседание Совета ИТЭР, на котором обсуждался статус проекта. Что сегодня волнует руководителей?
— Сейчас мы находимся на стадии монтажа токамака. Первый модуль уже опущен в шахту, хотели опустить второй, приступить к сварке. Но, к сожалению, выяснилось, что точность изготовления кромок модулей, которые должны привариваться друг к другу, оказалась хуже, чем требуется сварочному автомату. Человек бы сварил, а вот автомат — нет.
Дело в том, что ИТЭР — ядерный объект и все манипуляции нуждаются в сертификации. В конкретном случае была сертифицирована автоматизированная сварка. Перед руководством встала дилемма: либо действовать в рамках полученного разрешения, либо менять документ и запускать новую процедуру.
Второй вариант занял бы слишком много времени, поэтому было решено все-таки доработать кромки под автомат. Да, мы не предполагали, что такое может произойти, но страшного ничего нет. Подобных событий будет еще много.
— В прошлом году мы с Вами разговаривали о других обнаруженных дефектах — в системе охлаждения. Решения нашлись? Проблему удалось устранить?
— Да, это еще одна задача. Конструкция ИТЭР предполагает, что вакуумная камера реактора будет заключена в стальную «рубашку» с трубами, по которым движется гелий при низких температурах. Оказалось, что в точках приварки трубок, по которым движется этот хладагент, при высоких напряжениях возникает коррозия.
Техническое решение найдено, но установленное оборудование придется достать, разобрать и отремонтировать. Что-то сможем исправить на площадке, но часть отправится в европейские и корейские компании.
— Есть представление, на сколько?
— Устранение дефекта может каким-то образом повлиять на график, но точные прогнозы давать преждевременно. Ситуация непростая. Технические решения у нас есть, но их применение требует большой бюрократической работы, коммуникации между органами различных стран.
— На каком этапе сегодня находится строительство? Что вообще происходит в проекте?
— На площадке во Франции идут доработка кромок вакуумной камеры и переделка стальной «рубашки» теплового экрана. Сейчас мы также пересматриваем концепцию первой стенки вакуумной камеры. Изначально планировалось сделать ее из бериллия. Но у него очень низкая температура плавления — 1550 градусов.
Инженеры, проанализировав ситуацию, пришли к выводу, что в случае применения бериллия может возникнуть существенное проплавление первой стенки, а это неизбежно приведет к ряду неприятных явлений. Начали рассматривать вариант с вольфрамом: у него температура плавления — 3695 градусов Кельвина — намного выше, чем у бериллия.
Однако Россия выступила против такого решения. Мы убеждены, что риск недостижения термоядерного горения с Q=10 с вольфрамовой стенкой недопустимо велик, у вольфрама слишком высокое зарядовое число ядра (Z). Да, у европейских коллег есть вольфрамовые токамаки, и они как-то находят режимы, в которых можно работать, но диапазон параметров очень мал.
Сообщество российских физиков ставит вольфрам под большой вопрос. Мы уверены, что обращенная на плазму первая стенка должна быть из материала с низким Z.
— То есть нужно делать стенку из другого материала, не из вольфрама?
— Необязательно. Российская сторона предложила провести исследования нашей технологии покрытия стенки материалом из порошка карбида бора (B4C). Она у нас уже отработана и испытана на токамаках Т-11 и Т-10. Вот в чем ее суть: мы особым образом вводим в плазму пары карборана (С2В10Н12).
В плазме молекулы карборана разрушаются, появляются дополнительные ионы водорода, бора и углерода, которые при определенных режимах оседают на первой стенке в виде кристаллической структуры B4C. Получается, что материал с высоким Z можно экранировать материалом с низким Z.
На последнем Совете ИТЭР было решено инициировать НИОКР по исследованию покрытия вольфрамовой первой стенки вот таким материалом. И мы в России уже изготовили несколько опытных образцов.
Ученые из Института теоретической прикладной механики РАН, Института гидродинамики РАН и Института сильноточной электроники РАН тремя различными методами нанесли покрытие на вольфрамовые прототипы элементов первой стенки ИТЭР.
В институтах ГК «Росатом» (АО «НИИЭФА», ГНЦ РФ ТРИНИТИ) и ИЯФ СО РАН исследовали их на различных стендах: в мощных потоках электронов, лазерном излучении, с плазменными сгустками. Эксперименты продемонстрировали, что покрытие очень удачное (особенно полученное атмосферной и детонационной плазменными струями), оно жаростойкое и имеет хорошую адгезию.
Кроме того, ранее в России удалось отработать технологию восстановления B4C во время работы токамака.
Знаете, у нас в России вообще много такого, о чем мы даже не догадываемся. Например, в Институте структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г.Мержанова РАН в Черноголовке разработали материал с низким Z, который может быть использован для первой стенки вместо вольфрама. В ближайшее время будем его испытывать на применимость в ИТЭР.
— Как международное сообщество воспринимает инициативы российских ученых в контексте нынешней экономическо-политической повестки?
— В ИТЭР нет санкций. Политика здесь запрещена. Все семь партнеров до сих пор сохраняют атмосферу дружбы. Перед нами стоит сверхсрочная и сверхсложная задача. Машина, которую мы строим, настолько сложная, что собрать ее можно только вместе. И технологически, и финансово. Именно поэтому любая прорывная идея, например, новый материал с низким Z, получает не просто поддержку — она воодушевляет всех партнеров.
— Какие задачи сегодня еще стоят перед Россией?
— Всего подписаны 23 соглашения о поставке, два из них уже полностью выполнены. Сейчас мы изготавливаем компоненты реактора — верхние патрубки, 40% первой стенки и семь диагностических систем, которые составляют 26% от всех предусмотренных проектом. В будущем это оборудование даст российским ученым преимущество в изучении физики и явлений в плазме.
— Удается ли придерживаться графика производства и поставки?
— Дух коллективного решения проблем помогает справляться с колоссальной бюрократической работой, которая возникла из-за санкций.
Выходы находятся благодаря тому, что сообщество ИТЭР активно принимает участие во всех переговорах. Гендиректор пишет письма на таможни конкретных стран, недавно подключился председатель Совета ИТЭР из Еврокомиссии Брюсселя. Он обратился к соответствующим органам с тем, чтобы санкции, наложенные ЕС, в нашем случае не применялись. Теперь в 80% случаев мы получаем положительные решения.
На следующем Совете ИТЭР в 2024 году будет утвержден новый график с учетом всех сдвигов. Планируется внести коррективы и в режим запуска машины.
Раньше предполагалось, что первая плазма на ИТЭР будет короткой, с низкими параметрами. Теперь договорились о том, что она будет полноценной, несколько сотен секунд и в полную мощность, чтобы уже на первом этапе проверить работы всех систем управления и максимально быстро исключить возможность срывов. «Другая» первая плазма — это совсем иной этап. При этом получение дейтерий-тритиевой плазмы произойдет почти в срок.
— Поработать в ИТЭР мечтают многие ученые. Сложно ли попасть в проект? Сколько специалистов из России сегодня трудятся на площадке в Кадараше?
— Сейчас 95 человек, и мы активно ищем новых сотрудников. Российский вклад — 9,09%, а 95 человек — меньше этой цифры. Новый генеральный директор ИТЭР серьезно настроен на то, чтобы устранить перекос в сторону европейцев, которых сегодня в проекте большинство.
Есть много позиций, на которые можно откликнуться, все они опубликованы на нашем официальном сайте. Сейчас, например, открыта вакансия главного инженера, надеемся подобрать кандидатуру в России. В ИТЭР платят достаточно высокие зарплаты, которые позволяют полноценно жить и эффективно работать. Конкурс высокий — 30 человек на место. Очень почетно работать в ИТЭР.
— Успех проекта кажется очевидным. Как считаете, человечество готово к новому источнику энергии?
— Часто задают вопрос: когда наступит время термоядерной энергетики? Тогда, когда она будет крайне необходима. Удержание плазмы — очень уж сложная задача. Слишком много неустойчивостей. Мы раньше работали с плазмой, в которой быстрых ионов мало, а в реакторе будет производиться много альфа-частиц. Как они будут себя вести? Это новое явление, новое состояние вещества.
Тем не менее мы все ближе к термояду. В Японии запустили JT-60SA, в Китае в 2027 году построят термоядерную установку BEST, которая обгонит по размерам японскую.
В России рассматривается концепция создания прототипа гибридного термоядерно-ядерного реактора TRT, который может стать второй (после ИТЭР) технологической платформой для термоядерной энергетики. В США строится термоядерный реактор SPARK.
Другие партнеры активно прорабатывают концептуальные проекты демонстрационных реакторов DEMO. То есть в диапазоне 2040-х годов и 2050-х в мире должен появиться демонстрационный термоядерный реактор. Некоторым странам он попросту необходим. Китай, Япония, Южная Корея, ЕС покупают нефть и газ — для них это вопрос выживаемости. Для нас — нет, но и мы можем распоряжаться нашими ценными ресурсами по-другому. Совсем необязательно их сжигать. Для сжигания, например, есть дейтерий и тритий — они намного эффективнее и экологичнее.
Беседовала Татьяна ЧЕРНОВА
Фото: https://www.iter.org/
Нет комментариев