Об удивительном международном проекте ИТЭР. Анатолий Красильников: индустрия создаётся в деле

Вклады и строительство

— Анатолий Витальевич, какой вклад вносит Россия в реализацию проекта ИТЭР? И в какой форме осуществляется наш вклад?

— В проекте по сооружению международного термоядерного экспериментального реактора ИТЭР принимает участие, в общей сложности, 35 стран — в том числе, 29 стран от Евросоюза, а также США, Индия, Китай, Япония, Южная Корея и Российская Федерация. Изъявляли или изъявляют желание присоединиться к проекту в той или иной форме Иран, Казахстан, Австралия, Бразилия, Канада… Список неполный, его можно продолжать. Контакты со странами-претендентами идут, но формат взаимодействия с ними пока не выработан.

Условия участия в проекте сегодня таковы. Шесть партнёров вкладывают одну одиннадцатую часть (9,09%), а на долю седьмого партнёра, Евросоюза, приходится пять одиннадцатых, или более 45%, так как он выступает в качестве хозяина площадки в Кадараше.

Соответственно, первая часть ответа на ваш вопрос такова. Вклад России в проект ИТЭР составляет 9,09% от стоимости сооружения установки.

Теперь в чём заключается наполнение нашего вклада? По условиям нашего участия, 90% вклада мы вносим в натуральной форме, то есть, оборудованием, которое мы изготавливаем и поставляем на площадку, и только 10% приходится на финансовую составляющую. Всего для ИТЭР наша страна отвечает за 25 систем.

Надо сказать, что в последнее время денежный взнос у всех участников стал увеличиваться. Проект движется в сторону завершения, на сборку и наладку оборудования требуются дополнительные средства. Поэтому соотношение 90/10, о котором я упомянул, будет изменено.

— А как именно оно изменится?

— Не могу сейчас точно ответить. Не исключено, что оно трансформируется в 50/50. Важно, что Россия даёт для проекта ИТЭР не только оборудование и деньги. Сама концепция проекта была в своё время разработана в нашей стране. Слово «токамак», наравне со «спутником», вошло в словари многих языков.

Идею токамака (тороидальной камеры с магнитными катушками) предложили в 1951 году А.Д. Сахаров и И.Е. Тамм. Первые токамаки были построены в Курчатовском институте. На токамаках Т-3 и Т-4 были достигнуты электронные температуры порядка 1 кэВ (10 миллионов градусов), причём этот результат на Т-3 независимо подтвердила и группа английских физиков, после чего стартовал настоящий бум токамакостроения.

Всего в мире к сегодняшнему дню построено порядка 200 токамаков. Нам очень приятно, что идея токамака пришла из нашей страны и что она была выбрана для термоядерного реактора ИТЭР.

У российского вклада есть и ещё одна составляющая, организационно-управленческая. Её трудно измерить количественно, но её значение велико. На всех совещаниях, форумах, рабочих встречах и так далее, мы прикладываем все усилия для того, чтобы ускорять проект. Естественно, свой план-график мы выполняем в полной мере и в срок.

— Генеральным директором международной организации ИТЭР с 2014 года является Бернар Биго, пришедший туда из атомного комиссариата. От его французских коллег мы слышали положительные отзывы о его работе.

— Я скажу то же самое. Бернар Биго — энергичный и целеустремлённый человек. Важно, что он француз, это положительно сказывается на взаимоотношениях с французскими властями. Как руководитель проекта ИТЭР, он показал себя с лучшей стороны, стройка интенсифицировалась. Считаю, что Россия поступила правильно, поддержав в своё время кандидатуру Биго.

— В каком состоянии сейчас площадка?

— В главном здании (реакторный зал) построены оба подземных этажа и идёт монтаж оборудования, закончен первый надземный этаж, подходят к концу работы по второму надземному этажу и готовится строительство третьего этажа.

Уточню, что речь идёт не обо всём здании, а о бетонной биозащите вокруг машины. В дальнейшем к ней добавится необходимая обстройка.

Позволю себе небольшое отступление. Проект ИТЭР без преувеличения уникальный проект. Иногда нас спрашивают: «Атомные станции научились возводить за несколько лет, так почему же у вас настолько затягиваются работы?». Дело в том, что, по сравнению с ИТЭР, атомный энергоблок — это проект серийный, типовой.

В нашем проекте требуется тщательное согласование всех деталей до начала работ. Вносить исправления по ходу практически невозможно.

Представьте себе — толщина бетона в главном здании более четырёх метров, и это бетон очень сильно армированный, это железожелезожелезобетон. Если вы не предусмотрите нужный вам технологический проход в биозащите до начала строительных работ, то позже вы сделать его не сможете.

Во многом благодаря усилиям Биго, согласование главного здания сейчас заморожено (завершено). Процесс этот происходил поэтапно — этаж замораживался, чертежи отдавались строителям, а проектанты доделывали документацию на следующий этаж. Но, как я уже сказал, теперь заморожены все этажи.

Строятся и другие здания — примыкающее к главному зданию диагностическое здание, здание тритиевого комплекса, здание систем дополнительного нагрева плазмы. Здание, в котором на месте мотаются катушки (PF2, PF3, PF4 и PF5) полоидального поля — самые большие из всех катушек, их нереально перевозить и поэтому их собирают на месте, в отличие от PF6 (её делают в Китае) и PF1 (в России).
Построено здание криостата — это вклад Индии, примерно половина компонентов криостата уже привезена, начата сварка.

В общем и целом, проект ИТЭР находится на стадии полномасштабной реализации. Кроме бумажной конструкторской работы, появляются здания и оборудование.

— Когда предполагается закончить собственно строительную часть работ?

— Специфика ИТЭР состоит в том, что строительные и монтажные работы часто приходится совмещать.

Некоторые элементы оборудования столь массивны, что устанавливать их можно только одновременно со строительством стен. После того, как будут залиты перекрытия, извлечь это оборудование станет нереально. Таким образом, строительство и монтаж-наладку мы вынуждены вести параллельно.

Сейчас, например, мы ожидаем завершения строительства здания гиротронов. Сразу после того, как оно будет готово, мы начнём поставку гиротронов.

— Каким образом производится поставка российского оборудования?

Почти всё оборудование доставляется автотранспортом. Единственное исключение — катушка PF1, которую придётся перевозить морским путём.

Российское участие

— Анатолий Витальевич, что было сделано с российской стороны по проекту ИТЭР за последние годы?

— Мы закончили изготовление и поставку двух сверхпроводников на основе ниобий-олова (Nb3Sn) и ниобий-титана. Это огромная заслуга кооперации российских предприятий.

Разработчиком технологии был ВНИИНМ им. А.А.Бочвара. В части изготовления стрендов были задействованы ТВЭЛ и ЧМЗ, в части изготовления кабелей — ВНИИ кабельной промышленности.

В ИФВЭ (Протвино) производилось джекетирование. Курчатовский институт участвовал на стадии финальных испытаний сверхпроводников на вакуумную плотность, после чего мы поставили их в Организацию ИТЭР.

Контроль всех сверхпроводников производился в Швейцарии. Наши изделия оказались самыми стабильными в плане электромагнитных нагрузок. Для условий ИТЭР это важно, так как магнитное поле, в котором должны стоять сверхпроводники, будет качаться, появятся температурные и магнитные осцилляции.

По итогам испытаний было принято решение о том, что катушки, в которых предполагаются наибольшие колебания магнитного поля, будут сделаны из российских сверхпроводников.

По гиротронам. Всего в ИТЭР предусмотрено 24 гиротрона. На сегодняшний день, мы изготовили два прототипа и два штатных гиротрона со следующими характеристиками — 1000 секунд, 1 МВт, 53% к.п.д. , 95% надёжность срабатывания. Ни японцы, ни европейцы достичь таких показателей не смогли — у них либо не получается достичь 1 МВт, либо нет повторяемости результатов.

Но мы не останавливаемся на этом. Могу сказать, что нам удалось уже получить 1,2 МВт, а в планах подняться до 1,5 МВт. Если получится, то 24 гиротрона в ИТЭР смогут производить не 24 МВт, а 36 МВт.

За катушку PF1 отвечает НИИЭФА им. Д.В. Ефремова, а непосредственное её изготовление ведётся на Средне-Невском судостроительном заводе. В 2018 году мы должны закончить изготовление галет для этой катушки, в 2019 году — саму катушку, а в 2020 году должны отвезти её на монтаж.

На данный момент, изготовлены две галеты из восьми, в производстве находятся третья и четвёртая галеты. Работа идёт по графику. Можно констатировать, что технология изготовления крупных сверхпроводящих катушек большого размера (9 метров в диаметре) в нашей стране будет, благодаря ИТЭР, освоена.

Кстати говоря, многие из технологических наработок, сделанных в рамках проекта, смогут в будущем получить дополнительные применения. Так, технология сверхпроводников может быть задействована для создания томографов.

— Что даёт российским предприятиям участие в проекте?

— Международная организация ИТЭР исходно выделяла участникам работы, по которым видела у них достаточный уровень квалификации. Иными словами, мы сразу знали, что будем в состоянии изготовить поручаемые нам системы и оборудование. Но мы не просто знали, мы хотели, чтобы соответствующие научно-технические школы в нашей стране развивались.

Нам были поручены 25 систем. Работы над ними, их изготовление — это сохранение и развитие научно-технических школ. И это важно для нас, потому что сегодня ведётся обсуждение нашей внутренней термоядерной программы. Но для того, чтобы эту программу реализовать, нам нужно иметь необходимые опыт, знания и промышленность, и мы получаем и сохраняем их, благодаря участию в ИТЭР.

Промышленность всегда создаётся в конкретном деле. Поставили задачи — появились технологические линии, возникают коллективы, в них приходят студенты, аспиранты и молодые специалисты. Если добавить немного пафоса, то таким образом создаётся культура термоядерной индустрии в России. Это главное, что приносит нам участие в ИТЭР.

Если говорить о пользе для отдельных предприятий, то давайте посмотрим на НИИЭФА. Они отвечают за 40% первой стенки, самого энергонапряжённого элемента. Что такое первая стенка в ИТЭР? Это бериллий, специальным образом приваренный к основе из нержавеющей стали и смотрящий на плазму с температурой 300 миллионов градусов.

Стенка обязана простоять 10 лет и выдержать не менее 1000 разрядов по 1000 секунд каждый. Плитки не должны отвалиться, сварка должна выдержать, бериллий не имеет права треснуть, сталь должна выдерживать вылетающие из плазмы потоки 14 МэВ-ных нейтронов порядка 1014 н/(см2с).

Добавим к этому температурные градиенты. Температура плазмы — 300 миллионов градусов, что на порядок выше, чем на Солнце. На первой стенке, отстоящей от оси плазмы на два метра, температура несколько тысяч градусов, а на расстоянии ещё один метр — сверхпроводник с температурой 4-5 градусов Кельвина. Одну из самых горячих и одну из самых холодных точек нашей галактики в ИТЭР разделяют всего три метра!

Из сказанного вы можете заключить, насколько сложную в инженерном плане задачу приходится решать НИИЭФА. Это вызов, самый настоящий вызов природе, а для инженеров и специалистов — это возможность сделать большой шаг вперёд.

Для работ по первой стенке в НИИЭФА мы создали супертехнологичный цех, аналогов которого в мире нет. У наших европейских коллег нет цеха, где в одном месте были бы собраны стенды для испытаний высокоэнергетическими потоками, сварка и резка материалов, стенды для испытаний на прочность, и многое другое из того, что мы сумели собрать в одном технологическом комплексе.

— А что с ним будет дальше?

— Дальше цех должен быть задействован в реализации следующих шагов термоядерной программы.

Мы строим ИТЭР не для своего удовольствия, мы создаём термоядерную энергетику на планете. Если Россия намерена участвовать в этом празднике жизни, то она будет строить термоядерные реакторы, и точки роста, которые мы создаём в рамках проекта ИТЭР, обязательно будут в этой работе задействованы.

НИИЭФА — одна из таких точек роста. Другой положительный пример — институт прикладной физики в Нижнем Новгороде, отвечающий за гиротроны. В этом направлении нижегородцы — законодатели моды в мировом масштабе.

Есть и другие примеры точек роста. Но самое главное, что, благодаря ИТЭР, у нас есть возможность говорить о перспективах Российской Федерации в термоядерном реакторостроении. Не было бы ИТЭР — картина была бы другая и печальная.

Следующий шаг

— Что планируется после ИТЭР? Раньше много говорилось о таком проекте, как ДЕМО. Но во многих публикациях можно видеть предложения по термоядерным источникам нейтронов (ТИН).

— Все семеро партнёров, участвующих в проекте ИТЭР, отдают себе отчёт в том, зачем они к нему присоединились, и знают, какой следующий шаг они должны сделать.

Основная задача реактора ИТЭР такова. В нём должна быть получена первая в мире плазма с величиной Q=10. Параметр Q есть отношение термоядерной мощности к мощности дополнительного нагрева, для ИТЭР эти мощности равны 500 МВт и 50 МВт, соответственно.

А что такое термоядерная мощность? Это нейтроны и альфа-частицы, плотная группа альфа-частиц с энергией 3,5 МэВ. Такую группу можно охарактеризовать словом «стая», и поведение частиц в этой стае коллективное.

Со сверхгорячей плазмой, которую мы получим в ИТЭР, ещё нужно научиться работать. Надо уметь её удерживать в течение заданного времени, управлять неустойчивостями, которые обязательно будут в ней образовываться.

Это и есть цель ИТЭР. А вот цели преобразовывать получаемую в результате термоядерной реакции энергию в тепло или электричество у ИТЭР нет. Энергия будет просто отводиться водой. Возможно, появятся какие-либо экспериментальные модули, в которых отводимую энергию попробуют преобразовать в тепло, но это не основная цель ИТЭР.

Многие из партнёров видят следующим шагом после завершения ИТЭР новый проект под названием ДЕМО. Что это такое? ДЕМО — демонстрационный термоядерный «чистый» реактор. В нём нейтроны, образующиеся в плазме, направляются в бланкет, где преобразуются в какую-либо форму энергии.

В случае ДЕМО понадобится решать новые, не менее сложные задачи. Для энергетиков важен такой параметр, как КИУМ, во многом определяющий экономику. Следовательно, термоядерный реактор нужно тем или иным способом превратить из импульсного в стационарный, придумать технологию стационарного горения плазменного шнура.

Токамак — установка принципиально импульсная. Идеи по её превращению в стационарную есть. Разрабатываются различные неиндукционные методы генерации тока, и их предполагается проверить на практике в ДЕМО.

А вот Россия в последнее время вернулась к истокам. В 1951 году Игорь Курчатов написал письмо Сталину, в котором назвал главной ценностью термоядерного реактора его возможности по производству нейтронов, а не энергии.

Нейтрон — ценный продукт, с помощью которого можно делать многое. Его можно размножать в ядерном бланкете. Другой вариант, который сейчас активно обсуждается — использовать нейтроны для производства топлива для атомной энергетики, нарабатывать плутоний-239 из урана-238 (или уран-233 из тория-232). Можно также дожигать с помощью нейтронов минорные актиниды. И что важно, для всех этих вариантов вполне подходит импульсный режим.

Одна из идей нашей внутренней термоядерной программы — построить термоядерный комплекс, на котором произвести отработку различных технологических применений. Условно говоря, бланкет можно разбить на несколько модулей, каждый из которых будет предназначаться для решения одной конкретной задачи — уран-плутониевый модуль, ториевый модуль, модуль дожигания миноров, и так далее.

Особенно важной задачей для таких установок может оказаться наработка трития. Цена на этот изотоп фантастически высокая, порядка 30 миллионов долларов за килограмм. Его удобно получать из лития в потоке 14 МэВ-ных нейтронов из термоядерной установки.

— Кажется весьма разумным использовать термояд именно как ТИН, а не пытаться подстроить его под нужды энергетиков.

— В России такая точка зрения на сегодняшний день главенствует.

— Есть какие-то предложения по срокам появления первого термоядерного комплекса?

— Мы видим, что экспериментально-технологическую установку можно построить к 2030-2035 годам. Наши предложения мы закладываем в программу, которая будет представлена в правительство страны до конца года.

Спасибо, Анатолий Витальевич, за интервью для электронного издания AtomInfo.Ru.

Источник: http://atominfo.ru/newsq/x0309.htm