Термоядерная энергетика находится в центре внимания российской атомной отрасли. Активно развивается национальная термоядерная программа, а также полноценное сотрудничество в рамках международного проекта ИТЭР.
Планы в России
Ключевые элементы российской термоядерной программы — вывод на рабочие параметры токамака Т-15МД в Курчатовском институте и создание токамака с реакторными технологиями на базе государственного научного центра РФ «ТРИНИТИ».
Т-15МД — это действующий токамак. Физический пуск состоялся в мае 2021 года. В марте 2023 года — энергетический пуск: ученые получили первую высокотемпературную плазму. Затем в течение двух экспериментальных кампаний они отработали алгоритмы получения плазменных разрядов и добились следующих параметров магнитного поля: 1 Тл (магнитная индукция) и 30 секунд (длительность существования магнитного поля). В декабре 2023 года ученые получили разряд с током плазмы 260 кА длительностью более двух секунд. Температура электронной компоненты плазмы составила порядка 40 млн градусов, что в два раза превышает температуру в центре Солнца.
Для улучшения работы Т-15МД планируется ввод в работу систем дополнительного нагрева плазмы и поддержания тока, дооснащение токамака системами диагностики, установка дивертора и облицовка камеры графитом.
Токамак с реакторными технологиями (ТРТ) разрабатывается как полномасштабный опытный прототип будущего термоядерного реактора или источника нейтронов. Он предназначен для исследования поведения плазмы в квазистационарных режимах, исследования и отработки методов дополнительного нагрева плазмы, топливообеспечения и многого другого. Разместится ТРТ в Троицке.
В 2021 году ученые приступили к эскизному проектированию установки ТРТ и разработке диагностического оборудования. К концу 2024 года ученые Росатома планируют завершить этот этап, в 2025-м начнется техническое проектирование. Кроме самого токамака, предстоит создать множество периферийных систем для диагностики, нагрева плазмы и генерации тока. По плану, физический пуск реактора должен состояться в 2035 году, энергетический — в 2036-м.
В России уделяют большое внимание термоядерным технологиям. В 2025–2030 годах будет реализовываться федеральный проект «Технологии термоядерной энергетики» в рамках национального проекта «Новые атомные и энергетические технологии». Запланированы научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (НИОКР) по разработке и развитию технологий управляемого термоядерного синтеза и инновационных плазменных технологий. Их будут проводить организации Росатома, Курчатовский институт, институты Российской академии наук и высшие учебные заведения Министерства науки и высшего образования России. Федеральный проект предусматривает строительство (реконструкцию и техническое переоснащение) целого комплекса стендов и установок для разработки и внедрения базовых термоядерных и плазменных технологий.
Еще одно направление — НИОКР, нацеленные на получение данных о взаимодействии плазмы с обращенными к ней элементами с использованием инструментальных диагностических средств, цифровых систем управления, сбора и обработки данных на учебно-демонстрационной установке типа «токамак». Наконец, в федеральный проект включены НИОКР по разработке нормативных правовых актов в области термоядерных и гибридных систем, в том числе для обеспечения лицензионной деятельности в этой сфере.
Проекты в России, которые развивают Росатом, Курчатовский институт и другие организации, вносят вклад в развитие технологий термоядерного синтеза во всем мире. «В наши дни термояд — одно из самых открытых научных направлений. Думаю, так будет и дальше — по крайней мере до тех пор, пока технология не начнет коммерциализироваться», — заявил в интервью журналу «Новый атомный эксперт» директор Проектного центра ИТЭР (входит в Росатом) Анатолий Красильников.
ИТЭР и международное сотрудничество
Росатом — ключевой участник проекта ИТЭР. Напомним, Советский Союз инициировал международный термоядерный проект еще в 1980-е годы. О его старте договорились руководители СССР и США Михаил Горбачев и Рональд Рейган, затем к проекту присоединились Евратом и Япония. Эти четыре партнера создали инженерный дизайн проекта. Затем к ИТЭР присоединились Китай, Индия и Южная Корея.
Суть проекта — создание экспериментального термоядерного реактора с дейтерий-тритиевой высокотемпературной плазмой. Ученые должны не только получить плазму, но и управлять ею в течение 500–1000 секунд. «Это как с велосипедом: если вы едете на нем две-три секунды, это еще не значит, что вы умеете на нем кататься. Нужно показать результат по удержанию плазмы в течение достаточно продолжительного времени», — пояснил журналу «Новый атомный эксперт» Анатолий Красильников.
Россия в рамках своих обязательств несколько лет поставляет для ИТЭР оборудование. Уже полностью поставлены сверхпроводники и магнитная катушка PF1. Продолжается поставка коммутирующей аппаратуры (на площадку отправляются порядка 30–40 машин в год). 18 верхних патрубков вакуумной камеры изготовлены, завершается их поставка. Они нужны для установки диагностических систем, оборудования для нагрева и устройств откачки. Также российская сторона поставляет восемь из 24 гиротронов (эти устройства нужны для дополнительного нагрева плазмы и генерации тока). Институт прикладной физики РАН уже изготовил их, четыре поставлены, до конца года начнется их установка на штатное место. В 2025 году институт изготовит девятый, запасной. Впрочем, их количество может вырасти, так как международная организация ИТЭР решила увеличить мощность электронно-циклотронного нагрева.
В планах на ближайшие годы — поставка порт-плагов. Это сложные диагностические элементы, включающие средства диагностики параметров плазмы, модули испытательного бланкета, системы ионного и электронно-циклотронного нагрева и проч.
Для испытания порт-плагов российская сторона изготавливает четыре испытательных стенда. В конце августа этого года на площадку ИТЭР во французском Кадараше отправилась металлическая каркасная рама весом больше 20 т для первого из этих стендов. До конца года во Францию поедет и другое оборудование для них.
Еще одно направление сотрудничества — изготовление первой стенки, которая контактирует с плазмой. Она должна обладать высокой механической прочностью, вакуумной плотностью, теплопроводностью и электропроводностью, высокой жаропрочностью, стойкостью к термоциклическим нагрузкам и воздействию радиации.
Стенку хотели сделать бериллиевой, однако из-за токсичности бериллия и объективных трудностей с получением всех разрешений стало понятно, что быстрее будет попробовать новый материал. Выбрали вольфрам: он не токсичный и температура плавления его гораздо выше. Однако есть риск, что частички вольфрама попадут в плазму, а это приведет к снижению ее температуры, в результате чего потребуется потратить гораздо больше энергии, чтобы ее нагреть. Российские ученые предложили экранировать вольфрам покрытием на основе карбида бора, так как его уже использовали в конструкции российских токамаков. Предложение приняли, НИОКР начались.
Чтобы обсудить перспективы, сложности и пути решений проблем проекта ИТЭР, в Россию в октябре приехал гендиректор международной организации ИТЭР Пьетро Барабаски. Он побывал в лабораторном комплексе Проектного центра ИТЭР (входит в Росатом), Научно-исследовательском институте электрофизической аппаратуры им. Ефремова и Физико-техническом институте им. Иоффе, встретился с вдохновителем и первым организатором проекта, почетным президентом Курчатовского института Евгением Велиховым и гендиректором Росатома Алексеем Лихачевым.
В проектном центре Пьетро Барабаски посмотрел, как выращивают искусственные монокристаллические алмазы и разрабатывают диагностические системы для термоядерного реактора, а на встрече с Алексеем Лихачевым обсудил вопросы, связанные с реализацией проекта ИТЭР. «У нас есть некоторые трудности с поставками оборудования из России, но по сравнению с другими проблемами проекта это не так важно», — заявил Пьетро Барабаски на пресс-конференции.
Но самая важная тема обсуждения — дальнейшие перспективы проекта. «Для нас этот визит очень важен. Проект Международного экспериментального термоядерного реактора сейчас на знаковой ступени: участники обсуждают новую «базовую линию». Сроки и стоимость реализации могут серьезно измениться. Российским предприятиям нужна полная информация от непосредственного руководителя проекта», — отметил Анатолий Красильников.
Встречей стороны остались удовлетворены. «Я искренне рад приезду моего коллеги Пьетро Барабаски в Россию. У нас состоялся открытый и доверительный разговор в атмосфере взаимопонимания и общей нацеленности на успех», — заявил Алексей Лихачев.
«ИТЭР — замечательный пример международного сотрудничества, где наука объединяет народы в стремлении к общей цели, — подчеркнул Пьетро Барабаски. — Вклад России, как и всех других членов ИТЭР, очень важен, он показывает общую приверженность развитию термоядерной энергетики, которая будет существовать во благо всего мира. Этот вклад охватывает все области — от критически важных компонентов до ключевых технологических инноваций. По мере того как мы продвигаемся вперед, именно этот глобальный дух сотрудничества остается краеугольным камнем успеха, обеспечивая продвижение одного из самых амбициозных научных проектов нашего времени».
Развитие взаимоотношений и личных связей, технологий и научных поисков, изготовление сложнейшего оборудования, финансовая и правовая поддержка в текущем моменте и на перспективу — все это свидетельствует о стремлении России развивать термоядерные технологии и о нацеленности довести их до практического применения.
ИТЭР — аббревиатура от ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor. А с латинского iter — это «путь», «путешествие».
