Специалисты РЭА Минэнерго России подготовили обзор мировой практики демонстрационных термоядерных реакторов и достижений технического прогресса лидерами отрасли.


В стремлении к устойчивому будущему энергетический сектор находится на передовой линии глобальных изменений. Заметную часть среди них занимает термоядерная энергетика, которая, как считается, является ключевым звеном в переходе к чистым, надежным и эффективным источникам энергии. Современные технологии открывают новые горизонты в использовании ядерного синтеза с целью обеспечения мировой экономики практически неограниченным источником энергии, безвредным для окружающей среды.

Следует отметить, что, несмотря на многочисленные попытки создать термоядерный реактор для промышленной эксплуатации, все без исключения команды исследователей пока находятся на этапе строительства демонстрационных объектов, поскольку в процессе их реализации сталкиваются со множеством технологических, финансовых и социальных вызовов.

Международный проект по созданию опытно-промышленного термоядерного реактора ИТЭР (Франция) за 15 лет своего существования по сути дела выполнил свою миссию. Он стал основанием появления целого ряда национальных термоядерных проектов: К-DEMO в Корее, European DEMO в континентальной Европе, CFETR в Китае, SST-2 в Индии, STEP в Великобритании, свои намерения в этой области заявили США (FPP) и Россия (ТСП в Тринити, ТИН в Курчатовском институте).

Проект ИТЭР

ИТЭР расшифровывается как Международный термоядерный экспериментальный реактор (International Thermonuclear Experimental Reactor). Проект призван доказать осуществимость термоядерного синтеза в качестве крупномасштабного безуглеродного источника энергии. После завершения строительства основного реактора и получения первой плазмы ожидается, что это станет крупнейшим экспериментом в области физики магнитного поля.

Токамак строится рядом с исследовательским центром ядерной энергетики Кадараш, работающим в регионе Прованс-Альпы-Лазурный берег на юге Франции с 1959 года. ИТЭР станет крупнейшим из более чем 100 демонстрационных термоядерных реакторов, построенных за последние 70 лет, с объемом плазмы, на порядок превышающим другие пилотные проекты аналогичного типа.

Заявленная цель ИТЭР - научные исследования и технологическая демонстрация большого термоядерного реактора без выработки электроэнергии в промышленном масштабе. Целями ИТЭР являются достижение достаточного уровня термоядерного синтеза, чтобы производить в 10 раз больше энергии, чем затрачивается для зажигания плазмы в течение коротких периодов времени; продемонстрировать и протестировать технологии, которые потребуются для работы термоядерной электростанции, включая криогенику, нагрев, системы управления и диагностики, а также дистанционное техническое обслуживание; достичь горящей плазмы и извлечь соответствующий опыт; протестировать производство трития; и продемонстрировать безопасность термоядерной установки.

Реактор должен в течение не менее 400 секунд (6,67 минут) обеспечивать мощность 500 МВт при затратах на запуск 50 МВт.

Члены ИТЭР — Россия, Китай, США, Южная Корея, Индия, Япония и ЕС (через Euratom, регулятора атомной отрасли в ЕС). ЕС несет большую часть затрат на стройку (45,6%), а остальные участники — по 9,1%, но взносы в проект происходят в основном за счет производства деталей. Великобритания после Brexit (выхода из ЕС) недолго продолжала участвовать в проекте ИТЭР в рамках программы Fusion for Energy (F4E, Термоядерный синтез с целью получения энергии), однако в сентябре 2023 года прекратила финансирование своей доли программы F4E и к марту 2024 года отклонила приглашение присоединиться к ИТЭР напрямую, сообщив о продолжении исследований в рамках собственной национальной программы термоядерных исследований.

Первый камень в фундамент комплекса ИТЭР во Франции был заложен в 2007 году, а установка токамака в шахту началась в 2020 году. Первоначальный бюджет составлял 6 млрд евро, но в результате работы над проектом общая стоимость строительства и эксплуатации по прогнозам экспертов вырастет втрое до 18-22 млрд евро, а ряд экспертов указывают на десятикратное увеличение стоимости от 45 до 65 млрд долларов, хотя оператор проекта ИТЭР и оспаривает эти цифры. Независимо от конечной стоимости, ИТЭР считается самым сложным инженерным проектом в истории человечества, и одним из самых амбициозных международных проектов с момента создания Международной космической станции (бюджет 100 млрд евро) и Большого адронного коллайдера (бюджет 7,5 млрд евро).

Первоначально пуск токамака был запланирован на декабрь 2025 года. Однако в процессе реализации проекта возникали непредвиденные сложности и поэтому срок запуска несколько раз переносили. Так, помимо пандемии COVID-19 пришлось решать проблемы в области сварных соединений в секторе вакуумных резервуаров и образования трещин в трубопроводах с теплозащитными экранами из-за коррозии. В результате начало дейтерий-тритиевой эксплуатации реактора было перенесено на 2035 год, за которой должна последовать полная эксплуатация магнитного удержания и плазменного тока токамака.

Достижение этих целей позволит перейти на эксплуатацию проектной термоядерной мощности в дейтерий-тритиевой фазе в 2039 году.

Спустя 10 лет после выхода на полную проектную мощность планируется начать испытание модулей бланкета, который преобразует термоядерную энергию в электрическую.
Бланкет термоядерного реактора — устройство, расположенное за областью реакции синтеза и предназначенное для использования нейтронов, генерируемых в реакции синтеза.

Бланкет может использоваться как для наработки целевых изотопов (например, делящегося топлива, трития), так и для трансмутации высокоактивных и токсичных радиоактивных отходов (например, минорных актинидов) в менее активные и нетоксичные. Возможно применение бланкета для получения электрической энергии и в исследовательских целях (например, для изучения нейтронных потоков из плазмы).

Главным новшеством на сегодняшний день является смена материала первой стенки токамака. Она должна была быть бериллиевой. В 2023 году в НИИЭФА (Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры, г. Санкт-Петербург, Россия) испытали макет бериллиевого сегмента собственного производства. Но руководство ИТЭР распорядилось использовать вольфрам. Решение о бериллиевой стенке было принято 16 лет назад. За это время вопросы экологии приобрели еще большее значение, регуляторные правила Евросоюза сильно изменились. Теперь технические работы с бериллием пришлось бы сопровождать столькими средствами обеспечения безопасности, что проект стал бы невыгодным для ИТЭР. Лучше сразу вложиться в перспективный для использования в энергетической, а не экспериментальной установке материал.

НИИЭФА готовится к изготовлению первой стенки из вольфрама. Прорабатывается вариант нанесения на вольфрам карбида бора. Это должно сгладить главный недостаток вольфрама — попадание многозарядных примесей в токамак. Организация ИТЭР заключила с российской стороной контракт на исследования для создания технологии нанесения карбида бора. В них будут участвовать несколько научных институтов и вузов. В частности, в НИИЭФА планируется провести циклические тепловые испытания электронным пучком, а в ТРИНИТИ (г. Троицке, Россия) — проверить качество покрытия, облучая его импульсными плазменными сгустками.

Поскольку вольфрамовые примеси снижают температуру плазмы, то для получения проектного соотношения термоядерной мощности к мощности нагрева плазмы, равного 10, необходима гораздо большая мощность электронно-циклотронного нагрева. Потребуется 80 или даже 87 гиротронов вместо 24, разработка и изготовление которых может быть поручена Институту прикладной физики РАН (г. Нижний Новгород, Россия).

Главные выводы

Текущее состояние развития термоядерной энергетики характеризуется все теми же глобальными проблемами, с которыми ученые сталкиваются на протяжении последних десятилетий.

В то же время интерес к термоядерной энергетике в мире значительно возрос.

В первую очередь, существенно увеличились объемы финансирования различных проектов как на уровне правительств, так и частного бизнеса (со стороны крупных корпораций и специально созданных стартапов).

Во вторую очередь, рост интереса проявляется и в существенном увеличении количества экспериментальных термоядерных реакторов. В 2024 году, по данным МАГАТЭ, в мире действовало 99 термоядерных экспериментальных установок, большая часть из которых находятся в Японии, США, России и Китае. Наиболее известные и успешные действующие аппараты — KSTAR в Южной Корее, EAST в Китае, JT-60U в Японии. Строятся еще 13 установок и 33 — планируются к проектированию.

В третью очередь, нужно отметить интерес частных организаций, в собственности которых находятся 9 таких установок по всему миру, еще 4 — строятся, а 14 — на стадии планирования. Половина частных компаний, опрошенных FIA, рассчитывают начать производство электроэнергии с использованием термоядерных установок в середине 2030-х годов. Microsoft, например, заключила первый в мире контракт на поставку термоядерной энергии, где стороной-производителем выступил стартап Helion.

Следует отметить, что ученые всего мира, занимающиеся разработками в сфере термоядерного синтеза ежегодно ставят все новые эксперименты, добиваются ранее недостижимых результатов, разрабатывают передовое оборудование, демонстрируя прогресс в достижении если и не глобальной цели – полного перехода на опытно-промышленную эксплуатацию, то, как минимум в решении текущих задач, необходимых для отработки прорывной технологии, тем самым доказывая миру и научному сообществу, что термоядерная энергетика имеет право на существование и опытно-промышленный термоядерный реактор может быть создан при должном уровне финансирования соответствующих научных исследований в период 2035-2050 годов. Сегодня тот переломный момент, когда не имеет значения, верите вы в успех термоядерного реактора или нет. Успешным будет тот проект, в который сегодня вкладываются большие интеллектуальные и финансовые ресурсы.

Дмитрий Собчук, Наталья Гриб, Александр Перевозчиков (к. ф.-м. н.),
Департамент комплексной аналитики в электроэнергетике и теплоснабжении ФГБУ «РЭА» Минэнерго России