Как термоядерный синтез стал жертвой разногласий Берна и Евросоюза

Лаборатория ДЖЭТ (Joint European Torus — Объединённый европейский токамак). Пока крупнейший в мире действующий экспериментальный термоядерный реактор, расположенный в НИИ Culham Centre for Fusion Energy в графстве Оксфордшир, Англия. EUROfusion

Швейцарские ученые занимают лидирующие позиции в сфере исследований перспектив термоядерного синтеза, их вклад в успех, который в последнее время наметился на этом направлении, неоспорим. Однако нынешний политический тупик в отношениях между ЕС и Швейцарией может помешать участию ученых из Конфедерации в будущих важных международных проектах. Об этом предупреждает руководитель «Швейцарского центра физики плазмы» (Swiss Plasma Center) при лозаннском Политехе (EPFL).

Сначала было слово и слово было токамак: ТОроидальная (то есть как бублик) КАмера с МАгнитными Катушками. Такая установка позволяет при помощи магнитного поля удерживать в подвешенном состоянии нагретый газ, перешедший в ионизированное состояние, так называемую плазму. Плазма считается четвертым агрегатным состоянием вещества наряду с жидким, твердым и газообразным. Первым идею токамака развил советский ученый Игорь Тамм. Токамак позволяет добиваться условий, необходимых для протекания управляемого термоядерного синтеза, процесса, происходящего внутри нашего Солнца. 

Амброджио Фазоли. Swiss Plasma Center, EPFL

Ученые Швейцарского центра физики плазмы, возникшем при Федеральном технологическом институте в Лозанне (EPFL), эксперименты с плазмой проводят буквально каждый день. «Каждый день мы реализуем около четырех десятков экспериментов, работая четыре дня в неделю», — поясняет Амброджио Фазоли (Ambrogio Fasoli), директор Центра. Его лаборатория принадлежит к числу ведущих в мире исследовательских учреждений, исследующих проблемы, связанным с управляемым термоядерным синтезом. Центр активно участвует в реализации знаменитого проекта ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), задача которого заключается в создании возможности коммерческого использования термоядерной реакции синтеза для получения чистой и почти неограниченной энергии. 

Швейцарская лаборатория специализируется на анализе поведения плазмы и на поиске наилучших способов нагрева газа до плазменного состояния и его в этом состоянии удержания. Именно в Швейцарии и была придумана своего рода «микроволновка», позволяющая проводить ионизацию газообразных сред. Управляемый термоядерный синтез (УТС) следует отличать от взрывного термоядерного синтеза (ВТС). В рамках УТС ученые в управляемом, а не стихийном, как при ВТС, режиме получают тяжёлые атомные ядра из более лёгких с целью получения энергии. То есть если в обычных АЭС энергия может быть высвобождена путем расщепления ядер, то в данном случае энергия, причем без негативных последствий в виде радиации или ядерного мусора, получается путем слияния атомных ядер. 

Процесс ядерного синтеза: смесь дейтерия и трития — двух изотопов водорода — будет использоваться в качестве топлива для будущих термоядерных электростанций. Внутри реактора ядра дейтерия и трития сталкиваются и сливаются, высвобождая гелий и нейтроны. EPFL

Но есть проблема, и она называется «кулоновский барьер». Это потенциальный барьер, который необходимо миновать положительно заряженным атомным ядрам для того, чтобы преодолеть силы отталкивания и сблизиться друг с другом для возникновения притяжения. Преодолеть этот барьер ядра могут только при их нагреве до плазменного состояния, то есть до температуры в несколько миллионов кельвинов. Тогда возникает возможность преодолеть кулоновский барьер за счёт эффекта квантового туннелирования (это как если бы свет мог проникать в зеркало и за него). Внутри звезд такой исключительно фантастический эффект, возможный только в квантовом мире, достигается за счет огромных гравитационных сил. Эти условия напрямую не могут быть воспроизведены на Земле, и только технология токамака позволила сделать на пути решения этой проблемы решающий шаг вперед. Ведь материалов, способных выдержать такие «солнечные температуры», на Земле нет. 

Поэтому очень важно сделать так, чтобы самоподдерживающаяся реакция УТС висела в магнитном поле, не прожигая стенок токамака и одновременно не угасая. Управляемый термоядерный синтез открывает перед человечеством не менее фантастические перспективы получения неограниченного количества энергии без загрязнения окружающей среды, без радиоактивных отходов и без парниковых газов. С таким источником энергии не сравнится ни нефть, ни традиционная атомная энергетика. Однако коммерческое и рентабельное использование реакторов на УТС будет, как указывают эксперты, возможно не раньше начала второй половины 21 века. Ясно, что задача эта трудна сама по себе. И лишних преград на этом пути ученым иметь очень бы не хотелось. Однако они есть: сначала пресловутое Рамочное соглашение ЕС и Швейцарии, затем пандемия, а потом началась война против Украины.

«Важный шаг»

В феврале 2022 года ученые сообщили об успехе, достигнутом в ходе эксперимента на базе лаборатории ДЖЭТ (Joint European Torus — Объединённый европейский токамак). Этот пока крупнейший в мире действующий экспериментальный термоядерный реактор, находящийся в НИИ Culham Centre for Fusion Energy в графстве Оксфордшир, Англия, получил на данный момент рекордное количество термоядерной энергии: 59 мегаджоулей в течение пяти секунд. Предыдущий рекорд, установленный на базе ДЖЭТ в 1997 году, составлял 22 мегаджоуля менее чем за секунду времени. Амброджио Фазоли вместе с другими учеными из EPFL также плотно занимался этим проектом. 

Проект ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), задача которого заключается в создании возможности коммерческого использования термоядерной реакции синтеза для получения чистой и почти неограниченной энергии. ITER.org

Энергии, полученной в ходе этого эксперимента, было бы достаточно, чтобы вскипятить только около 60 чайников воды. Но при этом А. Фазоли говорит, что данный эксперимент представляет собой «очень важный шаг в правильном направлении», потому что он подтверждает, в частности, правильность выбора дизайна токамака для проекта ИТЭР. Строительные работы на площадке этого мегапроекта в городе Сен-Поль-ле-Дюранс (Saint-Paul-lès-Durance) на юге Франции завершены уже примерно на 80%. «Мы уже находимся далеко за точкой невозврата. Теперь мы действительно знаем, что рано или поздно, но мы «сделаем это», — говорит президент EPFL Мартин Феттерли (Martin Vetterli).

Официальная планируемая дата запуска ИТЭР уже была перенесена с 2016 на 2025 год, однако пандемия, скорее всего, приведет к дополнительным задержкам. «Я предполагаю, что первую плазму мы получим на полтора года позже, чем планировалось. Но первая плазма еще не означает начала первых по-настоящему крупных экспериментов. Их мы планируем на 2035 год», — говорит А. Фазоли. При этом ИТЭР сам по себе решает исключительно научные задачи, кипятить нам чай он не будет. Производить собственно электричество начнет только демонстрационный реактор, появление которого ожидается не ранее 2050 года. И если он окажется работоспособным, то первое поколение коммерческих термоядерных реакторов появится в лучшем случае 2060-х или 2070-х годах.

Участие Швейцарии заблокировано

В области развития технологий УТС Швейцария, и, в частности, EPFL, принадлежат к числу очень важных игроков. Начиная уже с 1979 года Конфедерация тесно сотрудничает в области ядерного синтеза с Европейским сообществом по атомной энергии (Евратом) и косвенно участвует в реализации проекта ИТЭР посредством европейского логистического центра Fusion for Energy. С 2014 года лозаннская EPFL также является членом консорциума EUROfusion, группы из трех десятков НИИ, исследовательских организаций и университетов, работающих в области управляемого термоядерного синтеза из 25 европейских стран.

«В составе EUROFusion и Euratom мы принимали полноценное участие в реализации проекта ИТЭР. Это подразумевало, что наши интересы в совете ИТЭР представлял Euratom. А участие в работе Fusion for Energy позволяло нам конкурировать в рамках разного рода тендеров за право поставлять и закупать важные компоненты не только в качестве научного центра, но и в роли важной европейской промышленной державы. И теперь это больше, увы, невозможно», — объясняет А. Фазоли, ссылаясь, естественно, на прямые негативные последствия переговоров по Рамочному соглашению между ЕС и Швейцарией, прерванных в мае 2021 года по инициативе Берна. Ситуация остается очень сложной, участие Швейцарии в ИТЭР и во Fusion for Energy было приостановлено. 

Кроме того, после того как год назад Швейцария прервала переговоры по Рамочному соглашению, ЕС еще и понизил статус участия Швейцарии в Horizon Europe, программе финансирования научных исследований стоимостью 100 млрд евро, ограничив доступ швейцарских ученых к грантам и научным проектам, в том числе в области термоядерной энергетики. «Контракты по ИТЭР, которые у нас имелись раньше, а их насчитывалось довольно много, сохранены. Но новых контрактов мы пока не сможем подписывать. С января 2022 года мы исключены из совета директоров Fusion for Energy, в работе которого я принимал личное участие», — говорит А. Фазоли.

«Швейцарский центр физики плазмы» (Swiss Plasma Center)

Одна из ведущих в мире лабораторий области УТС, член консорциума EUROfusion, объединяющего 30 исследовательских организаций и университетов из 25 стран-членов Европейского союза, а также Великобритании, Швейцарии и Украины. 

В центреВнешняя ссылка работают около 120 сотрудников и более 40 аспирантов в шести исследовательских областях: теория плазмы, фундаментальная физика плазмы, физика токамака TCV, международное сотрудничество, сверхпроводимость для термоядерного синтеза и применение плазмы. 

Токамак TCV расположенный на территории кампуса EPFL является одной из важнейших в мире экспериментальных установок, позволяющих проводить исследования в сфере УТС. Для проведения экспериментов с использованием токамака сюда приезжают ученые со всего мира.

Все эти политические изменения означают, что Швейцария больше не участвует и в Договоре о Евратоме, который собственно и регулирует порядок и условия участия Швейцария в EUROfusion. Недавно был найдено временное решение, позволяющее швейцарским ученым продолжать участвовать в европейских термоядерных проектах: в настоящее время Швейцарский Центр физики плазмы является ассоциированным членом в EUROfusion посредством участия в работе немецкого Института физики плазмы им. Макса Планка (Max-Planck-Institut für Plasmaphysik).

Ядерный синтез, ИТЭР и война в Украине

Проект ИТЭР был совместно задуман во время холодной войны лидерами США и России Рональдом Рейганом и Михаилом Горбачевым. Одним из семи основателей этого проекта, наряду с Китаем, ЕС, Индией, Японией, Кореей и США, является Россия. Она выступает, например, в качестве основного поставщика сверхпроводящего материала ниобий-олово, без которого невозможно строить магниты ИТЭР. Кроме того, она производит гиротроны — электровакуумные СВЧ-генераторы, причем источником СВЧ-излучения является электронный пучок, вращающийся в сильном магнитном поле. Гиротрон был изобретён в Советском Союзе в горьковском НИРФИ. 

Украина также входит в EUROfusion, но, как сообщают, научные институты в Харькове, которые обеспечивали это участие, понесли серьезный ущерб под российскими ударами. Швейцарская промышленность также попала в сложное положение. В период с 2007 по 2019 годы участие Швейцарии в ИТЭР принесло швейцарским компаниям, поставляющим высокотехнологичные компоненты, контрактов на сумму 190 млн швейцарских франков. «По некоторым проектам мы сейчас просто простаиваем. Мы не можем получать новые контракты. Мы по-прежнему работаем над научными проектами, но это происходит скорее в рамках неформального сотрудничества. Но принимать непосредственное участие в ИТЭР мы действительно больше не можем», — объясняет А. Фазоли.

Сборка секции корпуса ИТЭР тороидальной формы. ITER Organisation

«Сотрудники ИТЭР всегда готовы помочь и даже на что-то закрывать глаза. Они знают, что у нас есть уникальные ноу-хау. Но в какой-то момент им просто могут приказать прекратить сотрудничество со швейцарцами. И тогда всё»! Нынешняя тупиковая ситуация не имеет никаких негативных последствий для собственно студентов. Но очень важно, чтобы Швейцария могла участвовать в фундаментальных исследованиях и разработках, в частности и в области управляемого термоядерного синтеза, иначе она «скорее всего станет менее привлекательной для зарубежных специалистов. Если всё останется, как есть, это будет просто катастрофой и для Швейцарии в целом и для швейцарской промышленности в частности. И дело ведь не только в деньгах, важно ведь, чтобы мы в итоге не оказались на обочине мирового прогресса», — говорит Мартин Феттерли.