Термояд станет доступен через 20 лет (опять). Почему запуск ITER передвинули на 2039 год

Привет, Хабр! С вами Александр Баулин — ведущий менеджер МТС Диджитал и по-прежнему фанат космоса и технологий.

В этом месяце появилось официальное заявление представителей ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) — одного из крупнейших строящихся термоядерных реакторов. Суть документа — предварительный запуск («первая плазма») перенесен с 2025 года на 2036, а полноценная работа реактора начнется не раньше 2039 года. Учитывая, что ITER — это демореактор, устойчиво получать энергию из управляемого термоядерного синтеза снова планируется лет через 20. Прямо как в начале 90-х годов XX века, когда автор этого поста купил первую книжку по термоядерным реакторам. Вздохнул.

Подробнее о трудностям и перспективах управляемого термоядерного синтеза — под катом.

Что случилось?

Получить первую плазму на международном термоядерном реакторе планировали уже в 2025 году. Теперь организаторы заявили, что испытания не только откладываются на 11 лет, но и потребуют увеличения затрат — сразу на $5,4 млрд. Сам перенос вызван техническими проблемами и нехваткой средств.

Глава ИТЭР Пьетро Барабаски (Pietro Barabaschi) заявил, что даже без выявления брака сроки нельзя было выдержать. Процесс создания реактора оказался сложнее, чем планировалось. Но перенос пуска реактора не означает, что площадка на 11 лет превратится в сонное царство: будут продолжены научные исследования — например, эксперименты с малыми токами плазмы. Глава проекта добавил, что даже овладение управляемым ядерным синтезом не решит самые острые проблемы, которые сейчас стоят перед человечеством.

Это уже второй глобальный пересмотр бюджета и сроков проекта за последние восемь лет. Сразу после старта строительства планировалось, что общая стоимость ITER не превысит $5 млрд, а испытания удастся начать в 2020 году. Сейчас бюджет уже превысил $22 млрд, а первого запуска придется ждать 15 лет.

Последствия переноса пуска

Ученые постарались найти и положительные последствия переноса. Они планируют, что в 2034 году смогут сразу запустить непрерывные двухлетние исследования, а не набор отдельных экспериментов. Это позволит быстрее вывести реактор на полную мощность. В результате, хотя первые эксперименты с плазмой в реакторе откладываются почти на десятилетие, система достигнет проектной мощности всего на три года позже, чем ожидалось по предыдущему плану.

К сожалению, задержки порождают серьезные риски. Некоторые страны-участники могут выйти из проекта, забрав свою часть финансов и ресурсов.

К тому же другие исследовательские группы тоже работают с термоядерными реакторами и могут добиться своего раньше ITER. Правда, период ожидания быстрых успехов от них прошел. Это в 2014 году всерьез обсуждалось обещание Lockheed Martin создать компактный термоядерный реактор за пять лет. Сейчас удается достичь и нужных температур, и удержать плазму необходимое время… но в разных экспериментах. Более того, в 2022 году одна научная группа заявила о положительном выходе энергии: получили от термоядерной реакции больше, чем затратили на разогрев плазмы. Но честный подсчет показывает, что полные энергетические затраты составили в десятки раз больше полученного значения. В общем, перед конкурентами теперь долгая и тернистая (хотя очень интересная) дорога к постоянно действующему реактору — но ITER уже прошел ее часть. А что уже успела сделать международная группа ученых и как вообще появился реактор? Спойлер: как всегда не обошлось без СССР и России.

Как появился ITER и что планируют ученые

Идея создания реактора появилась в далеком 1985 году. Академик СССР Евгений Велихов предложил ученым Европы, США и Японии вместе создать термоядерный реактор. Идея показалась интересной правительствам указанных государств и регионов, так что началось обсуждение возможного распределения ролей научных коллективов со всего мира в едином проекте. В 1986 году удалось достичь соглашения о проектировании научной установки, которая и получила название International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). Тип реактора — классический токамак. Принцип работы — термоядерный синтез с магнитным удержанием.

В 1992 году страны-участники подписали четырехстороннее соглашение о разработке инженерного проекта реактора. После этого долгое время велись переговоры, планировались работы, выбиралось место возможного строительства — в 2005 году предпочтение отдали окрестностям города Кадараш на юге Франции.

В 2011 году строительство, наконец, началось. В классическую схему реактора типа токамак добавили дивертор, который очищает плазму от примесей. Сначала сборка шла относительно гладко, хотя и не без проблем. Но уже ближе к завершению строительства была выявлена масса недостатков. В январе 2023 г. оказалось, что трубы охлаждения придется менять — используемая технология сварки труб и панелей привела к появлению микротрещин. Этому способствовали остатки хлора, которые попадали в крошечные полости в процессе сварки, что вело к коррозии, а возникающее после сварки напряжение металла разрывало сами трубы. Предстояло выбрать новую технологию сварки и заменить 23 километра (!) труб.

В июне 2023 года оказалось, что на проекте термоядерного реактора ИТЭР часть сварных операций проводили сварщики с поддельными сертификатами. Выполненную ими работу пришлось инспектировать заново.

В июле того же года обнаружились дефекты производства компонентов и сборки — секторы изготовлены с нарушением габаритов, а система охлаждения пошла трещинами. Именно это оказалось «соломинкой, которая сломала спину верблюда» — замена секторов займет годы.

Тем не менее проект продолжает жить, а реактор, как надеются ученые, сможет показать жизнеспособность самой идеи получения энергии в результате термоядерного синтеза. Кстати, ITER не будет производить электрическую энергию. Это лишь демо, доказательство концепции запуска управляемой термоядерной реакции с получением избытка энергии. Реактор должен в течение не менее 400 секунд вырабатывать 500 МВт энергии при затратах на запуск 50 МВт. Если жизнеспособность идеи докажут, то начнется создание уже рабочего термоядерного реактора.

Так что до создания полноценного управляемого термоядерного синтеза снова лет 20. Но процесс интересный.

Что происходит внутри токамака?

И напоследок напомню, что происходит внутри токамака: вещество разогревается до температуры около 150 млн градусов — в 10 раз выше, чем в центре Солнца. При такой температуре любой материал переходит в состояние плазмы, поэтому вещество можно удержать только дистанционно — с помощью мощных магнитных полей. Согласно данным предыдущих экспериментов, такой температуры хватит для возникновения самоподдерживающейся реакции синтеза: изотопы водорода — дейтерий и тритий — будут сталкиваться с образованием ядра гелия, нейтрона и гигантским выделением энергии. Получаемой энергии с лихвой хватит на многократное покрытие затрат на разогрев плазмы. По крайней мере, таков план.