Термоядерная энергетика, токамак и ITER

Это расшифровка одиннадцатого выпуска моего подкаста "Планы на завтра". Если не хочется читать лонгрид, прошу прослушать на вашей любимой платформе, может быть, так будет удобнее. Также у подкаста есть телеграмм-канал, он так и называется “Планы на завтра”, tomorrowplans. Либо вы можете подписаться на Youtube-канал.

– Здравствуйте! Это подкаст планы на завтра и я – его автор и ведущий – Александр Кущин. Планы на завтра – это подкаст о взгляде на будущее. Что и как нужно делать в настоящем, чтобы построить то будущее, которое мы хотим. В каждом выпуске я говорю на какую-то одну тему и стараюсь рассмотреть её через призму долгосрочного мышления. Также у подкаста есть Telegram-канал, он так и называется “Планы на завтра”, tomorrowplans. Ссылка в описании, прошу вас присоединяться! Либо вы можете подписаться на Youtube-канал. В общем заходите!

Сегодня у нас будет необычный для меня выпуск. Это будет первый выпуск-интервью, в котором я буду говорить не один, а постараюсь по большей части задавать вопросы. Говорить будет гость. И тема сегодня про термоядерную энергетику, собственно, где я и сам работаю – в проекте ITER, и где работает сегодняшний гость Виталий Красильников. Мы занимаемся несколько разными вещами. Я занимаюсь качеством. Виталий больше занимается всё-таки наукой.

Небольшой дисклеймер. Да мы оба работаем в этом проекте, но это интервью — это совершенно не официальная позиция нас, как работников и не официальная позиция нашей организации. Это наш личный взгляд на проект, на термоядерную тему, на всю ситуацию. Виталий! 

– Всем привет! Привет, Александр, рад быть частью этого подкаста, мне очень интересно пообщаться и рассказать, может быть что-то новое, может быть что-то интересное. 

– Как я уже упомянул ты работаешь больше в науке. А ты бы не мог рассказать про свой опыт. Собственно, чем ты занимаешься в проекте?

– В проекте, в котором мы с тобой вместе работаем, я ответственный за разработку нескольких нейтронных диагностик. Диагностика плазмы – это некий прибор, некая система, которая измеряет какие-либо параметры плазмы, будь то температура, давление, выход энергии. Вот нейтронные диагностики, в частности, измеряют мощность реактора в итоге, измеряя сколько нейтронов было произведено в реакторе и их энергию и дальше их распределение по профилю и там некие параметры. Вот такими диагностиками я занимаюсь.

– Такие научные слова, разговор всё-таки про термоядерную энергетику. Мы будем, вероятно, уходить в какие-то технические дебри, но постараемся, может быть, объяснить. Хорошо, а вот ты работаешь, какое у тебя для этого образование? Ну, то есть для примера: я работаю в качестве, у меня образование по качеству. А ты?

– Я родился в Троицке под Москвой, закончил там физико-математическую школу – лицей. После школы поступил в физтех – Московский Физико-Технический институт, восьмой факультет, который специализируется на плазменных установках, на токамаках в частности. Закончив его, вернулся в Троицк, работал в ТрИнИТИ это Троицкий Институт Инновационных Термоядерных Исследований. И там уже начали сотрудничество с международными проектами, [например] JET в Англии. И это уже было время, когда проект ИТЭР стартовал.

– Это какой год?

– Это две тысячи седьмой-восьмой-девятый.

– Ага, пятнадцать лет назад примерно.

– Да-да, и вот тогда началась работа по ITERу. Начались проекты, связанные с ITERом, разработка диагностик, разработка частей токамака. Вот, и 10 лет назад я попал сюда во Францию.

– Понятно. Вот ты упомянул токамак. Что это такое? Как обычно, как в науке называют с латыни, с греческого?

– Нет. Это русское слово. Его, если мне не изменяет память, в 1957 году предложил советский учёный Головин Игорь Николаевич. Это аббревиатура: тороидальная камера с магнитной катушкой. Нужно было какое-то название вот этой новой конфигурации, новой машины по удержанию плазмы, и он придумал такое сокращение: токамак – тороидальная камера с магнитными катушками.

– Вот в кои-то веки, да, это с русского. Ну, то есть он же их и придумал. Или не он? Или он придумал название?

– Нет, он придумал только название. Там есть целая романтическая история. Вообще проблема удержать плазму в чём состоит? Чтобы у нас шла реакция, нужно субстанцию – ваше топливо – нагреть. И вот в случае тех реакций, о которых мы сегодня будем говорить, это очень высокие температуры, это миллионы градусов и сотни миллионов градусов, выше, чем температура солнца. Поэтому ни в какой контейнер эту субстанцию положить невозможно, никакой материал не выдержит, любой материал испарится много раньше. Поэтому нужно как-то удержать вместе ваш, ну, представим аналогию с огнём. Вот у нас костёр горит, нужно его в какой-то контейнер поместить, но он горит так горячо, что ни один контейнер его не выдержит. И было непонятно, как это сделать. Вернее сразу идея появилась – удерживать полями, например, электрическими. Например, вот как магниты левитируют. У электрического поля есть такая проблема: оно направлено, оно не может быть направлено со всех сторон внутрь. То есть нам нужно со всех сторон окружить наше плазменное образование, чтобы удерживать его со всех сторон. А электрическое поле, оно всегда вот слева направо или снизу вверх, оно не может как бы внутрь объёма. Вот и над этим, над этой проблемой, долго думали и боролись с ней. И потом история гласит, что некий солдат на севере Советского Союза служил и у него было много свободного времени. Он вечерами изучал, интересовался этим вопросом, и вот он придумал. А что, если магнитным полем, и вот так его завернуть, вот так его закрутить в бублик, чтобы замкнуть его на само себя? То есть частицы запираются не электрическим полем, а магнитным. И вот он придумал, в какой-то форме нарисовал, может быть, на бумаге эскиз и отправил уже в Москву в Курчатовский институт. Там письмо получили, посмотрели, прочитали и поняли, что в этом идея есть, и стали дальше развивать это направление.

– Ну, это начало пятидесятых, да?

– Или конец сороковых, наверное, начало пятидесятых.

– Да, ну то есть это уже ядерные реакторы были. И как-то хотелось термоядерные реакторы начинать делать. К слову, если я уж сказал про ядерный реактор. Токамак сложнее строить, чем обычный ядерный реактор? Ну, вот который используется везде в мире – реакторы распада урана. Токамак сложнее? Либо маленький токамак проще, а ITER сложнее в целом?

– Как реактор, как объект, который производит энергию, наверное, во многом сложнее за исключением только урана. То есть уран активен сам по себе и его транспортировка, любое взаимодействие с ураном, его хранение, вот это всё очень сложно в атомной энергетике. Вот в остальном, при всём уважении к сложности атомной энергетики, этот процесс в принципе отработан. У нас очень много на планете атомных электростанций, понятно, как они работают.

– Да, их много сделано. Если, как я понимаю, уровень сложности был бы одинаковый, то уже бы, наверное, термоядерный реактор сделали на основе токамака. А фактически технология ещё не рождена.

– В термоядерном реакторе очень много проблем, с которыми человечество ещё не сталкивалось. И эти проблемы все в одном месте. То есть так или иначе человечество сталкивалось с ультра высоким вакуумом, с высоким уровнем радиации, с высокими температурными нагрузками, с высоким температурным градиентом, но всё это было отдельно. То есть вакуум есть в космосе. Мы запускаем в космос корабли. Мы знаем, как делать вакуумную изоляцию, как делать все проходники, все окна. Мы знаем, как делать скафандры. Радиация есть в атомных станциях высокая, и мы знаем, как делать защиту от радиации. Температуры есть в других областях. Но когда всё это вместе, когда у вас и огромная радиация и ультра-вакуумные компоненты, и высокий температурный градиент. Как я говорил в центре плазмы должна быть огромная температура 100 млн градусов на стенке, за стенкой чуть снаружи токамака находятся электромагнитные катушки, как мы говорили токамак – это камера с магнитными катушками. Эти катушки во всех современных токамаках сверхпроводящие, то есть они должны быть при температуре -269° C. 

– Вот это интересно, вот эти сверхпроводники. Вообще в медиа, в современной медиа-культуре, как только люди вспоминают про термоядерные технологии, все сразу говорят про сверхпроводники, про высокотемпературные, низкотемпературные и так далее. Это что такое?

– У материала-проводника есть свойство – сопротивление. Давно открыто, что есть некоторые материалы, у которых при очень низких температурах резко падает сопротивление. Их называют сверхпроводники. Они начинают проводить практически без сопротивления. И на этом многое основано, то есть там, где нужно минимизировать потери, люди используют сверхпроводники.

– Но нужно достигать вот этих криогенных температур -270 Цельсия, сколько ты сказал?

– Четыре Кельвина.

– Четыре Кельвина, да это очень холодные…

– Но вот сейчас при этом буме сверхпроводников обнаружены материалы, которые называются высокотемпературные сверхпроводники. То есть это всё равно низкая температура для нас, то есть это не 100 градусов, это всё равно минус. Но это хотя бы не гелевая температура.

– Понятно. А, ну да, и поскольку они должны использоваться в токамаках, их нужно меньше охлаждать. Поэтому это критически важно. Но в ITERе мы не используем высокотемпературные сверхпроводники?

– Изначально договорились о проекте ITER между собой Горбачёв и Рейган в 86-ом году.

– Звучит, как начало анекдота: разговаривают Горбачёв и Рейган, а давай что-нибудь сделаем. В итоге сделали. 

– Примерно так. Заканчивалось холодная война, и две сверхдержавы думали: “А что бы такого хорошего мы могли сделать для человечества?” И вот они решили, чтобы остановить гонку вооружения, во-первых, давайте работать вместе и, во-вторых, сделаем что-то мирное и пришли к термоядерной энергетике, то есть проект стартовал так давно. Потом он довольно долго буксовал организационно, с 2000-х годов началось строительство, была выбрана площадка, началось строительство здесь во Франции. И вот уже 20 лет примерно проект строится.  Это я к тому, что проект вроде как на передовой науки, но всё-таки он  довольно старый…

- И запроектировать самые последние достижения уже не успели, пока строим, мир ушел вперёд. А есть какие-то другие типы магнитных ловушек, то есть токамак он в виде тора, бублика, я знаю, что есть то, что называют магнитной бутылкой , но я не знаю какой она формы, можешь об этом рассказать?

- Да, есть несколько форм удержания плазмы. Тут нужно сказать про критерий Лоусона, который оценивает эффективность реактора. Это такой универсальный критерий для любой формы реактора. В него входит два параметр это: плотность частиц в вашей плазме и время удержания. Для дейтерий-тритиевой реакции, которая используется в основных современных термоядерных реакторах, произведение плотности на время удержания должно быть не меньше 2*1020. То есть плазму плотностью 1017 частиц на кубический метр, необходимо продержать 1000 секунд, а если вы увеличите плотность до 1020, то всего одну секунду, если плотность близка плотности твердого тела 1023 то 0,001 секунды. Таким образом, можно играть с плотностью и временем удержания. На этом основан, например, лазерный термояд. Когда у вас очень короткое время удержания, но практически твердотельная плотность, когда 196 лазеров стреляют в мишень, моментально нагревают и испаряют её и она уже нагрелась и испарилась, но всё ещё держит форму твёрдого тела. Поэтому там сотые, тысячные доли секунды.

- Это ты сейчас говоришь про американскую National Ignition Facility?

- Да, они недавно установили рекорд и, это действительно большое достижение, получили выход энергии больше, чем вложили. Но это был разовый эксперимент, может быть когда-нибудь кто-то предложит как на этом сделать электростанцию.

- Насколько я знаю, они два раза достигли этого результата: один раз в начале этого года и летом повторили. То есть они могут воспроизводить результат, но из этого все ещё очень сложно сообразить электростанцию.

- Дальше нужно научиться, чтобы это стреляло, как пулемёт. У нас задача чуть другая: мы делаем долгое удержание при меньшей плотности. Как происходит удержание? Магнитное поле удерживает частицы, которые навиваются на линии магнитного поля. Если электрическое поле просто толкает частицу в определённом направлении, т.е. вдоль поля, то магнитное не даёт ей уйти. Оно закручивает частицы, и поэтому, если линии магнитного поля мы завернём в кольцо, то частицы так и будут по этому кольцу летать как бусинки по нити.

- Как в ускорителе частиц в CERNе?

- Да. Если представить эти магнитные линии вдоль и сделать сжатие в каком-то месте, вот они идут параллельно в каком-то месте пережались. Это становится похоже на горлышко, на пробку в бутылке. Сделаем этих пережимов несколько, тогда частицы могут запираться - им невыгодно двигаться в область высокого поля, они будут передвигаться в область низкого и дальше, скользя как бусинки по этим ниткам, будут отскакивать от пробки, т.е. долетать до пробки. Там повышенное магнитное давление, им туда не хочется - они двигаются обратно. И, таким образом, они запираются между двух пробок в области чуть более разреженного давления. Это тоже магнитная ловушка так называемая. Вот таким способом решается задача удержания частиц.  

- Получается в токамаке эти два конца соединены и частицы движутся бесконечно, а в бутылке они отражаются. Почему конструкцию бутылки не выбрали для ITERа? Почему выбрали токамак? Есть же такие экспериментальные установки в Британии, мне кажется, в Америке, в России.

- Да, конечно, они есть и эти установки важны для экспериментов, для понимания физики. Плюсы бутылки в том, что она относительно простая, компактная, линейная, на ней проще изучать физику без каких-то побочных эффектов. Когда ты магнитные линии загибаешь, они становятся несимметричными: более плотными с внутренней стороны, менее плотными - с внешней. Т.е. пробочные ловушки цилиндро-симметричные. А бублик - он у нас бублико-симметричный. И поведение частицы в нём намного более сложное. В этом и плюс пробочной ловушки: она проще для организации и проще для изучения физики. Огромный её минус в том, что какие-то частицы всё-таки эти пробки пролетают, и огромные потери уходят в стороны.

- В общем, надо ставить на ракету и одну пробку открывать, чтобы получился ракетный двигатель. Я сейчас сильно фантазирую, но почему нет? Вообще много токамаков, действующих в мире?

- На самом деле их довольно много. 

- Лично я слышал буквально несколько: JET, WEST, в России ещё какой-то, и больше я даже не знаю.

- Я бы сказал крупных, смотря конечно что считать крупным, десяток или два десятка. А всего около 300. Только в Курчатовском институте их чуть меньше десятка, также в каких-то лабораториях. Т.е. это настольные установки размером два-три метра. Азия очень этим интересуется, практически в любой крупный университет заедешь: ”Да, у нас вот здесь стоит токамак”, ну, или стелларатор.

- Разные типы ловушек, понятно. Вот ты сказал что в Азии это развито, в России, а где ещё? Британия? США?

- Да, в Британии сейчас самый крупный действующий токамак - Joint European Torus - JET. Вот его уже несколько лет пытаются закрыть, в принципе его миссия была давно определена как предшественник ITERа, а ITER изначально планировался к запуску в 2016 году. И уже JET  готовится к закрытию, и каждый год его работу всё продлевают и продлевают. Сейчас он ещё работает и выходит на высокую мощность. Тоже недавно показал рекордные результаты, но рано или поздно, через год-два он закрывается. Тем не менее, сейчас это по-прежнему самый крупный действующий токамак. В Британии существует несколько частных фирм, занимающихся термоядом. Одна из них Tokamak Solutions, с которыми я имел удовольствие сотрудничать. Они производят токамаки большие и маленькие, в том числе для университетов.

- Т.е. условный какой-нибудь Шанхайский институт может просто заказать себе токамак, например, для лаборатории? 

- Я думаю, что в Шанхае там своё производство есть.  Tokamak Solutions производит на Англию и на Европу. В Германию, например, очень много поставляет. 

- Хорошо, саудиты, например, захотят себе токамак, у них денег много, они могут просто его  купить.  Ты упоминал, что нейтронное поле очень большое. Соответственно, это излучение - оно опасное и нужно делать, как это называется в реакторах, физзащиту. Поэтому вот такой общий вопрос: а вообще от токамака какая радиационная опасность? Когда люди говорят про всё, что связано с атомкой, с ядеркой и термоядом, во-первых, все думают про военное назначение, во-вторых, все боятся радиации. Можешь рассказать насколько он реально опасный или нет, в сравнении с обычным реактором деления.

- Как я говорил в начале, один из аспектов атомной электростанции – это обращение с ураном. Уран имеет естественные процессы деления. Их невозможно остановить, он просто лежит на столе и происходит процесс деления. Топливо же для термоядерного реактора дейтерий и тритий - это изотопы водорода, тяжёлая вода, если кто-то слышал такой термин, и сверхтяжёлая. Они сами по себе не радиоактивны. Тритий распадается, но это несравнимо с ураном. Поэтому в процессе работы термоядерного реактора, основаной на дейтерий-тритиевой смеси излучается радиация, да. Но, как только реактор останавливается, излучение прекращается. Т.е. в момент работы у нас производятся нейтроны, производятся альфа-частицы, которые плазмой улавливаются, и немного гамма-излучения. Да, это всё разлетается из плазмы, это ионизирующее излучение, оно облучает всё вокруг, оно активирует всё вокруг, но как только вы реактор выключаете, он останавливается и излучение прекращается. Стены вокруг активируются, да.

- Активация – это когда обычный материал, не радиоактивный, облучается нейтронами. Он их поглощает и сам становится немного радиоактивным. Т.е. если обычную железку положить под поле нейтронов, она активируется, и потом сама будет радиоактивная. Но всё равно этот эффект не настолько большой, это несравнимо с делением урана.

- Мы говорим про это - “светится”. Есть у нас такой термин shutdown dose rate – это активность после остановки. Измеряется сразу после остановки, через неделю и через 2 недели. Может даже и через месяц, через год, потому что предполагается, что в залы, которые расположены вблизи токамака, должна быть возможность войти через две недели после остановки даже самого мощного разряда самой мощной кампании. Мы всё остановили и через 2 недели мы должны иметь возможность войти в эти залы.  

- Даже активированные стены “светятся” не так сильно, что туда может человек заходить.  А вот вопрос у всех всегда возникает: взорваться-то может? Атомная электростанция может взорваться,  это не ядерный взрыв, но вот как в Чернобыле было: перегретая вода и паром просто, грубо говоря, срывает крышку. И радиоактивные частицы топлива разлетелись вокруг. На Фукусиме было примерно то же самое, но там это улетело не в воздух, а проплавило дно и ушло куда-то там: то ли в воду, то ли в землю, даже сейчас неизвестно. Так вот, взорваться-то может?

- Ну, обычно все говорят: “Нет, здесь ничего не может взорваться” и в этом большая доля правды.  Ядерный взрыв, я не могу его представить себе здесь. Настолько сложно заставить работать, что если что-то пошло не так, плазма это просто огонь, который чуть ты ему что-то не то сделал, он тухнет сразу и всё. Максимум что он может сделать, он может переместиться и выйти на стену. Плазма – это пламя огромной температуры, может выйти на стенку, её прожечь. В вакуумной камере у нас вакуум, прожечь конечно будет очень сложно, может её повредить. Может действительно повредиться вакуумная стенка, но тогда это будет не взрыв, а взрыв вовнутрь. У нас огромная около, 5000 кубических метров, вакуумная камера, если она повреждена она схлопнется, как пылесос будет засасывать в себя. 

В принципе, возможен следующий сценарий. Вакуумная камера охлаждается водой, поэтому там внутри есть бланкет, так называемый, покрывало. Передняя стенка, которая тоже охлаждается водой, при выходе большой энергии на трубу водяного охлаждения, она может прорываться, или там дефект сварки или что-то ещё. В общем, если что-то может сломаться, оно может сломаться.

- Дефект сварки - это камень в мой огород.

- Так вот, если вода подаётся под давлением 40 атмосфер, то есть у нас огромный вакуумный контейнер под огромной температурой - миллионы градусов. То есть у него мало газа, но при огромной температуре. И если в него попадает вода, например, 100 л воды или 1 000 л, она моментально испаряется, и вот тут может быть взрыв. Это паровой взрыв. Но на это просчёт есть. Есть специальный контейнер, с которым вакуумная камера соединена. И расчёт, сколько примерно воды, наш максимальный разряд успеет испарить до наступления взрыва. Точно не скажу сколько литров, допустим 1000 л, готовый, в нем есть пробивное окно. Как только повышается давление в вакуумной камере, оно пробивает это окно, и всё давление выходит. Да, поломки могут быть, какие-то нештатные ситуации могут быть. Не может быть атомного взрыва.

- Ну люди этого больше всего и боятся. Вот ты рассказал, что токамак придумали две сверхдержавы того времени: СССР и США. СССР с тех пор куда-то исчез, но в итоге в проекте же участвуют не только Россия и США. Ты был мог рассказать, кто сейчас участвует в проекте, как он финансируется? Очевидно, что такие научные игрушки дорого стоят.

- Да проект стартовал начиная с двух стран: СССР и США. Правопреемником СССР является Россия. Сейчас в проект входят семь партнёров, это: Россия, США, Европа как Европейский союз, Япония, Корея, Индия, Китай. 39 стран, если сосчитать европейские страны отдельно.

Проект строится в Европе, и она от этого получает много выгоды. Весь поддерживающий персонал - европейский, все логистические компании - европейские, строительства зданий - европейские. Естественно, не привезешь из-за рубежа здание. И, поскольку, в Европе всё-таки много стран, это большой партнёр, было договорено при подписании договора строительства, что вклад Европы 40%, а остальных по девять процентов. Что такое вклад? Проект финансируется деньгами семи партнёров и неденежным вкладом, то есть людьми и материалами. 

- Британия сейчас не часть Европы, случился Brexit. Как она продолжает участвовать? 

- Британия из Евросоюза вышла, да. 

- Но из проекта ITERа не вышла?

- Вышла. В Европе очень много организаций: есть Шенгенская зона, есть Евросоюз, есть Европа, а есть Евроатом, есть МАГАТЭ. И вот они все как бы не не пересекаются. Проект курирует Евроатом. Был долгий вопрос, выйдет ли Британия из соглашения по Евроатому? Возможно не выйдет, но вроде как решили, что выйдет. Поэтому из проекта ITER она вышла.

- Понятно. Проект настолько давно идёт и настолько у него много участников, что за это время  столько всего произошло в мире, там, столько карт перекроилось. Даже Европа и Еврозона с евро, она появилась уже после старта, и фактически изначально там были условные марки, франки, фунты, а сейчас все считают только в евро. То есть это очень длинный проект, что нетипично для современного мира, он как бы переживает даже развал некоторых стран, союзных блоков.  То есть получается 39 стран, соответственно 39, грубо говоря, национальностей. Как тебе работается в настолько интернациональной команде? Это же Вавилон.

- Или Ковчег. Вообще, проблем нет этого плана, даже со всеми событиями последних лет. Конечно, эти годы очень тяжёлые, но мы не видим никакой агрессии ни с какой стороны. Работаем все плечом к плечу со всеми национальностями. 

- Я с тобой соглашусь. С точки зрения гражданина Российской Федерации я тоже не вижу никаких проблем. Если взять условных корейцев, у них тоже не очень хорошие отношения с Японией. Или у Китая с Индией. То есть у всех друг с другом какие-то проблемы.

- Ты правильно сказал: у Китая много проблем с азиатскими соседями и не только с соседями. Ну, тем не менее, кто-то может на этом зацикливаться, иногда даже создаётся впечатление, что вот что-то человек реагирует как-то не так, а потом выясняется что просто у него сегодня настроение плохое. На самом деле ни одного подтверждённого факта дискриминации к русским или к любой другой национальности не было. 

- Я могу в пример привести только две подобные организации: это МКС. Там настолько все системы между собой переплетены: энергия на МКС за русскими модулями, если я не ошибаюсь, системы жизнеобеспечения от американцев. Оно всё связано и нужно, чтобы эта сложная система бесперебойно работала. Так что, да, по-прежнему космонавты летают сейчас уже на SpaceX на МКС, а астронавты по-прежнему летают с Байконура на МКС на наших кораблях. И второй пример это CERN.

- Я хотел сказать про организацию нашего проекта. Ты правильно сказал про МКС и эти блоки, которые физически связаны друг с другом. Нельзя один из середины вынуть и два других состыковать. Они по-другому никак не будут работать. И примерно так же здесь. Большие компоненты начинают приезжать, но ещё они не собраны. Тем не менее, проект порезан на кусочки, как я говорил вклады участников 9%, 40%. Это вклады: денежный, человеческий, то есть сотрудниками, и вклад материальный — компоненты, вплоть до частей самой установки или систем обеспечения, охлаждения, все сервисные системы, всё это поделено между партнёрами. Например, вакуумная камера, её части собираются в Корее, в Европе, в России, например, верхние порты. Сверхпроводник производился в России, доставлен сюда, катушки доставлены сюда из России.

- Сверхпроводник по-моему производился в Глазове, если я ничего не путаю. Привет моим одноклассникам.

- Циклотроны для ион-циклотронного нагрева производятся в России. Проект уже, как мы говорили, запаздывает. И если один из партнёров выйдет из проекта, другим будет очень сложно взять на себя эту часть. А если такой партнёр, как Россия, выйдет, наверное, можно будет говорить о закрытии проекта. Это очень большой риск и это риск не только для этого проекта. На самом деле вся отрасль пристально следит за нами, и если постигнет неудача здесь, это вероятность краха всей отрасли.

- Все эти, как ты сказал, 300 токамаков, все хотят рано или поздно получить управляемую термоядерную реакцию. Если с ITERом не получится, то, возможно, это будет пауза финансирования вообще всего и все всё бросят. На какой стадии проект сейчас? 

- Несколько лет назад дирекция отчитывалась о пятидесяти процентах строительства. Есть построенные здание - это огромные двух-трехметровые бетонные стены. Построены основные здания токамака. 

- Вопрос про место, почему это Франция? Я про это слышал много разных историй, что это могла быть Испания, могла быть Япония. Почему не Сибирь, например? В Сибири места много, даже если будет взрыв, никого не поранит [кроме того], там много наукоградов.

- Много граней у ответа на этот вопрос. Во-первых, несколько стран предложили свои площадки, начиная даже с Канады в какой-то момент. Но она не является партнёром, она хотела стать партнером в какой то момент, но – нет. Предложила Япония свое место и предложила Европа две площадки: во Франции и в Испании. Выбор между Японией и Европой. Первое - временные зоны. В Европе полдень, в Штатах уже утро, в Азии ещё вечер. То есть мы можем созвониться.

- А если мы говорим про Японию, то когда там день - везде ночь. 

- В Штатах точно ночь, невозможно в рабочее время созвониться со Штатами. Следующее -  логистика. Если карту мира разложить, всё-таки центр, он примерно где-то в Европе, просто географически. Туда удобнее всего доставлять очень крупные компоненты. Они доставляются только по морю. Значит море должно быть недалеко. Испанская площадка была прямо с выходом на море. Там сайт был ограничен с трёх сторон, а четвёртая сторона была - портовая структура. Почему её не выбрали, честно говоря, не имеют ответа на этот вопрос.

Я вспомнил, ещё ходила такая шутка. Я этот вопрос задавал людям, которые были на том большом совещании, когда принималось решение.  Было голосование, были предложены площадки, и люди голосованием принимали решение. Это был большой слёт высокого уровня. Каждая страна привозила свой стенд, делали презентацию, рассказывали о плюсах. И раздавали какие-то сувениры. Вот Испания по-моему какие-то брелки, а Франция раздавала что-то съедобное, какие-то пирожные. И вот они были настолько вкусными, что люди не могли проголосовать за другое место. 

- В основном, я так понимаю все токамаки - это всё на уровне государств, исследовательских институтов и так далее. Есть какие-то коммерческие проекты которые создаются на деньги не  спонсоров, а инвесторов? 

- Tokamak Solutions и Tokamak Energy. На чём построен их бизнес? Они строят небольшие токамаки обучающие для институтов, университетов или для лаборатории, которые хотят что-то изучать.

- Нет, я имел в виду, которые хотят термоядерную реакцию сделать. Commonwealth Fusion Systems в Бостоне, токамак в Сан-Диего.

- Наверное тогда ты сам лучше расскажешь, чем я.

- В общем, есть одна, называется TAE Technologies в Сан-Диего. Это типичный стартап, который просто ищет инвесторов. Туда вложилась материнская компания Google, материнская компания Facebook. Я не знаю технологию, поэтому и спросил, может ты это знаешь. Они делают камеру, шаровидный токамак, то ли ещё какой-то или бутылка, я не знаю. И они говорят, что: “У нас-то уже реакция дейтерий-тритиевая будет в 27-30-ом году”. Я не знаю насколько этому можно верить, но, насколько я понимаю, в это дело уже стали вкладываться бизнесмены, инвесторы.  Это конечно рисковые вещи, но эти люди, они не вкладываются в чистую науку, они не вкладываются в развитие, это государство делает. А они вкладываются, чтобы деньги заработать. Представляешь, если этот коммерческий проект станет успешным, инвестор, он будет вторым богатым человеком в мире. И я знаю есть проект в Бостоне – Commonwealth Fusion Systems. Туда один наш бывший коллега ушёл, американец. Уехал домой и там сейчас работает.

- Спрашивают иногда: ”Как вы относитесь к конкуренции?”. Я очень хорошо отношусь к конкуренции. Это подстёгивает. Хорошо бы, чтобы побольше вот таких проектов появлялось. Будучи внутри, я знаю насколько это всё, к сожалению, сложно. Насколько легко собрать настольный токамак и насколько сложно собрать реактор. Казалось бы, собрал что-то на столе, ну сделай в 100 раз больше, мощнее. Но там все растёт нелинейно. Нужно и нейтронную защиту и охлаждение. А ещё есть вещи, которые упираются, например, в плотность воды. Есть вещи, которые трудно преодолеть. Например, нужно поставить прибор здесь, а электронику вынести подальше от реактора, потому что большой радиационный выход и сбиваются все микросхемы.  Мы убрали, в начальном был прицел на 10-15 метров, сейчас уже детальные расчёты показывают, что этого мало, нужно убирать на 25-30 метров. А исследование не проводили, как на длинном кабеле будут приборы работать. То есть детектор удалённый от своей электроники, на длинный кабель какие наводки он будет ловить, какую точность он будет показывать, сможет ли он давать те же результаты, что и в лабораторных условиях. 

- Огромный, очень сложный конструктор и вроде бы каждая часть понятно как она выглядит, но когда ты начинаешь всё это вместе собирать, оно всё взаимно друг на друга влияет и нужно находить решения. Единственное, с чем могу сравнить - это с ракетостроением. Есть такое правило в ракетостроении: если ты меняешь одну деталь ракеты - ты меняешь всю ракету. Потому что там всё так тоже сложно взаимосвязано. 

У меня же подкаст про будущее. Давай представим сейчас, что вот мы построили ITER, вот получилось, мы получили управляемую термоядерную реакцию. Что будет дальше? На следующий день? На будущее, 5-10-15 лет? Итак, справились со всеми проблемами, построили, запустили. Что дальше?

- Вышли на максимальную мощность, получили результат. Кстати мы об этом не сказали, цель - выход на Q = 10. Q - это параметр, соотношение полученной мощности к затраченной. То есть выход должен быть в 10 раз больше, чем затраченная мощность. Дальше: ITER не будет производить электричество. Это экспериментальный реактор, он производит эту мощность, он производит эту энергию в виде частиц разлетающихся, но никакого сбора и использования этих частиц не предусмотрено проектом. Его невозможно добавить, потому что уже здание – вот оно такое. Поэтому после после запуска, после понимания: “О'кей такая большая установка, с такой плазмой, она работает.” Вот мы подобрали параметры, подобрали давление, подобрали токи нужные и так далее, поняли как этой машиной управлять. Записали всё на бумажку и готовы строить реактор на этой технологии, и нужно строить этот реактор. Давно уже сложилось название Demo - демонстрационный реактор. Это тоже будет некоторый эксперимент, но уже зная как работает сердцевина, эксперимент на периферической части, на том, как мы будем эту энергию ловить и использовать. 

- Нужно преобразовать в нагрев воды, острый пар и подавать его на турбину. Это вопрос давно решённый.

- Да, это нулевое решение: нагреть воду, турбины. И есть ещё альтернативные варианты. Например, так называемый, гибридный реактор. Когда мы стенку обкладываем ураном, не буквально, некоторые панели урансодержащие. Нейтроны, которые покидают плазму не воду греют, а взаимодействуют с этим ураном. Провоцирует реакцию урана, и уже он греется, и с него мы снимаем тепло водой. 

- Это гибридный такой реактор деления и реактор слияния вместе. Это следующий шаг, понятно.

- Ещё токамак может использоваться для дожигания минорных актинидов после атомной реакции. 

- То есть перерабатывать ядерные отходы. 

- Да. Или нарабатывать топливо для атомной станции. 

- Вынимаем старые стержни, ставим новые. 

- Но возвращаюсь к Demo. Предполагается всё-таки реактор на чистом термояде, вот такой как ITER, без урана. В принципе, уже есть группы работающие на Demo, рисующие дизайн. Уже, по-моему, лет пять или семь они существуют. В этих группах сначала было пять человек, 10 человек. Группы две: азиатская и европейская. Европейская в Германии, азиатская в Японии. 

- Они совсем-совсем на будущее работают, скажем так.

- Они на старте, они рисуют дизайны, пока на стадии чертежей. Площадки не выбраны, то есть это примерно то, каким был ITER с восьмидесятого до двухтысячного. Я думаю что Demo займёт не 20 лет, а года три - пять. 

- Может быть, каждый уже сам будет себе строить? 

- Может быть. Про другие страны я мало знаю, про Россию могу сказать. В России подписан бюджет на строительство следующего токамака с высокотемпературным сверхпроводником. Но главное – с реакторными технологиями. Он так и называется ТРТ – токамак с реакторными технологиями.

- Не исследовательский, а сразу с прицелом на производство электроэнергии. 

- На отрабатывающие технологии. Это всё-таки ещё не электростанция, это, наверное, даже ещё не Demo. В чём отличие от ITER, Demo будет вырабатывать электричество. То есть это будет ещё эксперимент, но турбина там уже точно будет. А в ТРТ ещё турбины не будет, по крайней мере в нынешнем варианте. Но это токамак с реакторными технологиями. На нём будут отрабатываться технологии, полезные для рабочего варианта.

- Тогда обратный вопрос. Представим что всё построили, прошли пусконаладку, первую плазму получили. Добавляем дейтерий, тритий, включаем и – не работает. Такое было с американской National Ignition Facility. Когда её построили, запустили, а выход энергии оказался в 100 раз меньше. И им понадобилось 10-15 лет, чтобы в этом году только сделать ядерный синтез. У них очень долго не получалось. 

- Как и у  National Ignition Facility, так и здесь физика в принципе изучена. Реакции давно идут в других более маленьких машинах. Давно получены дейтерий-тритиевые реакции. Выход энергии недостаточный, но слияние ядер происходит. То, что реакция существует, это подтверждённый факт. Действительно, что-то может пойти не так, что-то может сломаться, может сломаться что-то очень большое, очень дорогое. Может, например, вакуумная камера треснуть. Это будет очень дорого, дешевле будет рядом построить новый, чем ремонтировать. Поэтому идёт проверка, перепроверка и проверка проверки.

- Да, я как представитель качества об этом знаю.

- В том числе поэтому так долго. Будем надеяться, что крупных поломок не будут. Маленькие будут точно. Где-то потечёт вода, потому что там километр труб. Где-то будут перепутаны провода и прочее.

- Ну это, это скажем так, нормальная пусконаладочная работа: всё перепутанное поставить на место.

- По физике хотел добавить. Мы об этом не сказали, но это важный момент. Чем ITER отличается от всех предыдущих машин? У нас в ITER будет огромный выход энергии. Как мы сказали Q=10. Выход энергии в 10 раз больше, чем затрачено. Это значит сама плазма уже горит, мы используем слово “горит”, когда выход энергии больше, чем затрачено. 

- То есть самоподдерживающаяся реакция?

- Она всё-таки ещё сама себя не поддерживает, если совсем всё отключить, она потухнет. Но, тем не менее, она уже производит сама внутри себя больше, чем в неё вкладывают. Нужно поддерживать конфигурацию, магнитные поля поддерживать, дополнительно нагревать. Но тем не менее выход из плазмы огромный. Выход производится: альфа-частица и нейтрон. Нейтрон покидает плазму, а альфа-частица остаётся в плазме. И их много, это большая фракция высокоэнергетичных частиц, которые остаются в плазме. Во всех предыдущих токамаках у нас были, так скажем, пассивные системы: мы их греем - они горячие, а здесь плазма греет сама себя. И она это делает не так, как мы это делаем снаружи. Она производит большую фракцию частиц, и  такого нигде никогда не было. 

- Это как раз ответ на мой следующий вопрос. Какая научная ценность? Несмотря на то, что эту технологию десятилетиями изучали, всё равно за счёт масштаба здесь будет научная новизна.

- Eщё это, конечно, материаловедение, материалы первой стенки, это инженерия систем подачи топлива, система подачи электричества, криогеника, магнитная система, термостойкость материалов, радиационная стойкость материалов, стойкость электроники. Огромное количество ноу-хау. В любое заходишь здание, в любую сторону указываешь пальцем - вот это уникальное, специально разработанное, в мире такого нигде нет.

- Появится ли в будущем отдельная отрасль? Сейчас есть нефтегаз, есть атомка. Это будет отдельная отрасль – термоядерная энергетика? Сейчас во всех странах это считается как бы такая подотрасль. Атомка, но она будет немножко стоять отдельно, потому что слишком уж она сильно отличается или нет?

- Это вопрос организации. Можно их вместе объединить, всё-таки много схожих моментов: радиация, высокий уровень контроля допуска. 

- Когда начнут появляться реакторы, как скажется на экономике то, что человечеству доступен термоядерный реактор?

- Получая бесконечный источник энергии…

- Почему он бесконечный?

- Потому что топливо по сути бесконечное, оно в мировом океане. Вода, её много. Мы просто фильтруем воду, достаём оттуда дейтерий, тритий получается из лития. Лития тоже довольно много. Мы в ядерной энергетике говорим, что топливо в принципе бесконечно, его нужны граммы. Дейтерий-тритиевая смесь, если её представить в таком виде, заменяет состав вагонов угля. Получая бесконечный источник энергии, самое главное – исчезает гонка вооружении, гонка за ресурсами.

- Да, двигателем Британской Империи был уголь, [ещё были] войны за нефть, сейчас войны за редкозёмы. Как это на экологии скажется? Сейчас считается, что мы так много сжигание ископаемого топлива, что эти объёмы CO2 меняют климат. Ну, скажем так, слишком быстро меняют климат. Климат и сам все время меняется, но мы слишком быстро это делаем. Эта технология выбросы какие-то даёт? Уголь даёт углекислый газ, атомная энергетика даёт атомные отходы. Отходы от термоядерной энергетики будут вообще?

- Будут активированы здания, сам реактор, который после завершения работы должен два десятка лет постоять, остыть, чтобы перестать светиться.

- На геополитику, конечно, это всё тоже повлияет, учитывая что такие изменения произойдут в экономике. Я сам думаю, что тот, кто первый получит эту технологию (именно готовую рабочую), тот будет на коне в последующие, не знаю, пару веков. Поэтому все и бросились участвовать, все, кто хоть каким-то обладает багажом. Вот мне бы очень хотелось, чтобы Россия тоже не бросала. Вот это хорошую новость ты сказал сегодня, что выделены какие-то деньги на строительство токамака следующего поколения. 

- В ITERе 7 партнёров: и Россия и другие партнеры вкладывают свои 9%, а получают 100%. Это 100% ноу-хау, 100% материалов чертежей, то есть полностью весь проект доступен как для России, так и для любого другого партнёра.

- Если никто не сбежит с проекта сам, то, получается, выгнать чисто технически не получится. Потому что ты не можешь часть выкинуть. Мы печём пирог, я принёс муку, ты принёс яйца, воду мы набрали на кухне, но каждый себе домой заберёт не один кусок, а целый пирог. И еще один останется вот тут, где мы воду набирали. Насколько мне известно, таких проектов вообще раньше не было, когда все сразу решили: давайте сделаем вместе и давайте сложимся, а потом не будем играть в шпиономанию и в гонку, а просто всё достанется всем.

Возьмём побольше, не 5-10-15 лет, а 30-40-50. У меня подкаст про будущее, поэтому вопрос о совсем далёком будущем.  Как связаны освоение Солнечной системы и эта технология? 

- Я периодически слышу про ракетные двигатели. Для меня это очень далёкая и непонятно сфера.

- Как работает ракетный двигатель? Ты выбрасываешь вещество в одну сторону, и корабль летит в другую. Чем быстрее выбрасывается вещество, тем быстрее корабль летит, и тем меньшую массу с собой надо поднять. Поэтому масса современной ракеты - это на 90% масса топлива и 3-4% полезная нагрузка. 6% - это конструкция ракеты. Если будет доступен источник, который нагревает и выбрасывает очень-очень быстро, тогда не нужно будет брать с собой столько топлива и скорости станут выше и, например, полёт к Марсу сейчас займет полгода теоретически. Да ещё таких ракет нет, но в теории. А если сделать термоядерный реактор, его миниатюризировать и нагревать водород - когда работает термоядерный реактор, тепло использовать на нагрев водорода, то до Марса можно долететь за дни, недели максимум. Упрощается вообще всё. Проще стартовать, проще выводить массу, можем, например, к кольцам Сатурна летать с пилотируемой миссией. Но это будущее. Я не знаю вообще мы увидим при нашей жизни такое или нет.

- В теории да, это все имеет логику. Как это реализовать на практике? Как инженерно миниатюризировать и, главное, направить его выход в определённом направлении? У нас сейчас выход во все стороны, выход в основном нейтронов... Большая инженерная задача, но думать в этом направлении нужно определённо. 

- Ещё про лунный грунт. Из-за того, что лунный реголит в течение миллионов лет бомбардировался солнечным ветром, сверху лунного реголита образовался изотоп гелия, который тоже можно использовать для термоядерной реакции. Поэтому многие говорят, что в будущем мы будем на Луне добывать этот реголит и, условно, верхний убирать и добывать гелий в качестве топлива. Но это тоже ближе уже к научной фантастике.

- Это опять упёрлось в двигатель. Да гелий там есть, и если его привести на землю, можно использовать.

- Но это надо туда слетать и добыть. Проще здесь из воды морской. Вопрос про будущие поколения. Сегодняшние дети, подростки, которые выбирают или скоро будут выбирать себе профессию. Стоит ли им планировать работать в термоядерной энергетике? Что они должны учить для этого? Куда им двигаться? 

- Мы видим развитие искусственного интеллекта и всех помощников-ассистентов, роботизированных или компьютеризированных помощников человека, и творческие сферы уже поддаются. Наверное в эту сферу стоит вкладываться. Будут востребованы какие-то топовые позиции, а исполнители уже будут роботы. Наука - она всё-таки вокруг генерации идеи вращается. Тут людям долго ещё трудиться. 

- Условный проектировщик, который будет проектировать вакуумную камеру будущих реакторов, но не сварщик, который будет её варить. Потому что варить будет робот. Уже сейчас роботы сварку делают. То есть ты говоришь не про термоядерную энергетику, как таковую, а вообще про вектор движения. 

Мы будем заканчивать, хотя многих вопросов не коснулись. Например, слово “стелларатор” ты всего один раз произнес, ни разу не сказали про термоядерную бомбу, ну и много чего ещё мы не коснулись. Мы с тобой продолжим: ещё запишем продолжение этого выпуска. Ты что-нибудь хотел добавить ещё для слушателей? Для детей будущего. Кроме того, что: “Вы лучше думайте не как землю таскать, а как сделать робот, который будет таскать землю.”

- Скажу что проект наш сложный не только технически, но и организационно. И в целом вся эта ядерная энергетика – сложное направление. Проект ITER в частности. Мы работаем в ту сторону, чтобы всё это заработало и очень надеемся, что не произойдёт каких-то событий, которые не позволят нам запустить этот эксперимент, и стать ему успешным. Надеемся, что всё получится с технической и с физической точки зрения и с административной. И нас всех ждёт светлое будущее. В том числе в энергетике. Море бесплатной энергии. Молодым людям и девушкам я бы советовал, правда это практически невозможно в юном возрасте, но попытаться понять, что вам интересно и не опускать вёсла в этом направлении. И, если вдруг это ядерная энергетика, то это отличное направление. 

- Я согласен, это сложно. Многие так и не понимают до конца. И дело не в технологиях, дело в тебе.

- Это не гарантия успеха, но способ понимания – это просто пробовать. Пробовать разные направления.

- В общем мы заканчиваем этот выпуск. Сегодня мы говорили про термоядерную энергетику. Как таковой отрасли ещё не существует, но мы уже работаем над тем, чтобы она появилась. Мы говорили про токамаки, про проект ITER, в котором мы оба, и я и Виталий, работаем. Мы коснулись многих вещей: и истории проекта, и его технической составляющей, и сравнивали с существующими реакторами деления. Поговорили про текущую ситуацию и про будущее.

Спасибо огромное, Виталий, за время.

Это был подкаст “Планы на завтра”. Если вам нравится этот подкаст, и если вам понравился этот выпуск, расскажите об этом подкасте вашим друзьям, близким, знакомым, послушайте его, когда моете посуду, послушайте его в дороге, когда едете на работу, когда едете с работы, обсудите его с коллегами, распространите его.

И распространите среди всех людей, кого вы знаете, информацию про наш проект ITER. Это действительно уникальная вещь. И, даже учитывая всю историю изменений геополитики, каких-то проблем и так далее, этот проект всё равно работает, и мы стараемся делать свою работу и сделать так, чтобы он появился, чтобы у человечества появилась эта технология.

На этом я прощаюсь и помните: мы не можем изменить прошлое, но мы можем сделать что-то в настоящем, чтобы построить то будущее, которое мы хотим.