На юге Франции, рядом с Марселем, строится международный экспериментальный термоядерный реактор ИТЕР (ITER), на котором ученые планируют ставить эксперименты, связанные с термоядерным синтезом. Что это за проект и для чего он нужен? Насколько он безопасен для окружающей среды?

Суть термоядерного синтеза

В ядерной физике известно два процесса – распад ядер и их синтез. В первом случае атом одного, обычно тяжелого элемента, например урана, распадается, при этом образуются атомы более легких элементов.

Эта реакция используется во всех современных ядерных реакторах, а также в ядерных бомбах. Реакция синтеза имеет противоположную природу. Два атома легких элементов сталкиваются друг с другом и создают более тяжелое ядро.

В наиболее простом случае происходит слияние изотопов водорода, дейтерия и трития. После их слияния образуется гелий, а также свободный нейтрон и много энергии. Именно за счет этого процесса светится наше Солнце – в его ядре водород преобразуется в гелий.

Человечеству уже удалось использовать термоядерные реакции в термоядерных бомбах, однако в них этот процесс неуправляемый – в реакцию вступает все вещество, содержащееся в бомбе, и мгновенно выделяется огромное количество тепла. Однако достигнуть управляемой реакции пока не удалось.

Проблема постройки термоядерного реактора

Почему же все ещё не удалось создать термоядерный реактор? Дело в том, что нельзя просто смешать дейтерий с тритием. Ядра элементов имеют положительный заряд, и потому отталкиваются друг от друга. Поэтому вещество необходимо разогреть.

В этом случае ядра будут двигаться с очень большей скоростью, которой может хватить для преодоления сил отталкивания одноименных зарядов. Когда ядра окажутся близко друг к другу, они соединятся за счет так называемого «сильного» взаимодействия, которое и удерживает протоны внутри одного ядра.

Температура, до которой необходимо разогреть изотопы водорода, оценивается в сотни миллионов градусов Цельсия. В термоядерной бомбе ее достигают, взрывая маленький ядерный заряд, однако в реакторе так сделать не получится, ведь реакция должна быть длительной.

Ещё одна проблема – как удержать внутри реактора вещество такой температуры, ведь оно прожжет любые стенки. Решают задачу с помощью магнитов, которые удерживают разогретую плазму вне контакта со стенками.

Третья проблема – это образующийся свободный нейтрон, который создает радиоактивное излучение. Выделяющиеся нейтроны бомбардируют стенки реактора, приводя их в негодность. Пока что материаловеды не могут предложить вещество, способное выдержать эту бомбардировку.

История проекта ITER

Попытки отдельных стран (СССР, США) создать собственный реактор не увенчались успехом, и поэтому был запущен международный проект ITER.

В его финансировании участвуют Евросоюз, Япония, США, Россия, Китай, Корея и Индия. ЕС оплачивает 4/11 всего проекта, Япония платит вдвое меньше, а остальные 5 участников вносят 1/11 от общей доли. При этом вклад осуществляется не напрямую деньгами, а поставками необходимого оборудования.

Например, в США изготавливается центральный соленоид, весящий примерно 1000 тонн. Европа создает специальный насос, который должен создать в рабочей зоне реактора необходимый вакуум.

В Китае изготавливают опоры под те самые магниты, которые должны удерживать разогретую плазму. России же необходимо создать коммутаторы тока высокого быстродействия и гиротроны – устройства, которые будут разогревать плазму.

Естественно, перечень необходимых изделий этим не исчерпывается, просто детальное описание конструкции строящегося реактора не уместится даже в нескольких докторских диссертациях.

Само строительство было запущено в 2009 году. При этом постоянно возникают задержки – страны очень часто просто не могут изготовить в сроке ту или иную важную систему.

Также проблемы возникают и из-за недофинансирования, особенно со стороны Соединенных Штатов. В результате европейцам пришлось взять на себя изначально отданные американцам системы водяного охлаждения и некоторые другие заказы.

На начало 2019 года запаздывание в сроках выполнения работ по запланированному графику варьируется от 6 до 9 месяцев, но, скорее всего, оно будет нарастать. Тем не менее, здания построены уже почти на 70%.

Окончание всех работ ожидается в 2025 году, а их суммарная стоимость оценивается в 19 миллиардов долларов.

Что будет, когда реактор достроят?

Надо понимать, что строящийся реактор ИТЭР является демонстрационным. Это значит, что не планируется его коммерческое использование. На нем будут решаться те проблемы, которые могут возникнуть при промышленном использовании технологии управляемого термоядерного синтеза.

Примерно в 2031 году планируется начать строительство DEMO – термоядерного реактора, на котором уже будет получено электричество (на ITER всё получаемое тепло рассеивается в атмосфере). В случае успеха примерно в 2045 году ожидается появление и полноценных коммерческих реакторов.

Выгода от технологии

Стоит ли тратить такие ресурсы на термоядерный синтез, если уже сейчас есть АЭС и возобновляемые источники энергии? Ученые говорят, что стоит. Они выделяют следующие преимущества управляемой термоядерной реакции:

• в качестве топлива используется водород, который можно получать из обычной воды;
• нет вероятности взрывного увеличения мощности реактора, как это было в Чернобыле;
• не используются радиоактивные вещества (уран, плутоний), и нет традиционных радиоактивных отходов;
• отсутствие выбросов в атмосферу;
• низкая себестоимость электроэнергии.

Пока сложно сказать, удастся ли человечеству покорить управляемый термоядерный синтез, но если ученые добьются успеха, то, это будет крупнейший успех в энергетике, который окончательно решит проблему нехватки энергии для нашей цивилизации.