Для международного проекта термоядерного реактора ITER на юге Франции апрель 2025 года выдался термоядерным — в хорошем смысле этого слова. На площадке произошло сразу несколько важных событий, о чём спешит сообщить руководство проекта.

Источник изображения: ITER

Наиболее значимым достижением стало завершение создания всех элементов импульсной сверхпроводящей магнитной системы реактора — как полоидальных магнитов, удерживающих плазму в рабочей камере в форме тора, так и центрального соленоида, индуцирующего ток в плазме для её разогрева. В апреле был изготовлен последний, шестой, элемент соленоида — это произошло в США на предприятии компании General Atomics. Его ещё предстоит доставить во Францию, а затем собрать все компоненты вместе, однако это произойдёт позже — уже после монтажа рабочей камеры токамака.

Полностью собранная система импульсных магнитов будет весить почти 3000 тонн. Сила их электромагнитного поля будет такова, что сможет поднять целый авианосец. Шесть кольцевых магнитов полоидального поля, предназначенных для удержания плазмы вдали от стенок рабочей камеры, были изготовлены Россией, ЕС и Китаем.

Значительную часть сверхпроводников для этих магнитов произвели в России — это около 120 тонн ниобий-титановых (NbTi) сверхпроводников для полоидальных магнитов (40 % от необходимого объёма) и около 20 % ниобий-оловянных (Nb₃Sn) сверхпроводников для тороидальных магнитов. Также в России были созданы гигантские токопроводящие шины, обеспечивающие питание магнитов необходимым напряжением и силой тока, а также верхние заглушки для вакуумных камер.

Несмотря на все трудности и очередной перенос сроков по запуску реактора ITER с 2035 года на 2039 год, в 2024 году строительные работы по проекту были полностью завершены. Кроме того, на площадку доставили большую часть основных компонентов реактора, и сейчас он фактически находится на стадии сборки. В частности, в апреле 2025 года первый сегмент вакуумного сосуда (рабочей камеры) был установлен в шахту токамака примерно на три недели раньше запланированного срока.

Последний (шестой) сегмент центрального соленоида реактора ITER

Напомним, это уже второй подход по началу сборки рабочей камеры реактора в шахте проекта. Когда два года назад туда первый раз опустили два первых сегмента, обнаружилось несоответствие в размерах сопрягаемых элементов и сегменты пришлось поднимать из шахты для подгонки. Теперь все несоответствия устранены, и началась окончательная сборка вакуумной камеры — своеобразного «пончика», внутри которого будет циркулировать плазма, разогретая до 150 миллионов градусов Цельсия.

В конечном итоге дейтерий и тритий в виде газа должны быть нагреты в рабочей камере до состояния плазмы, когда атомы теряют свои электроны. Это похоже на процессы, происходящие в звёздах, где ядра водорода преодолевают кулоновское отталкивание и сливаются, образуя гелий и выделяя огромное количество энергии. В звёздах этот процесс происходит под воздействием колоссальной гравитации, поэтому температура в их недрах — всего около 15 миллионов градусов. На Земле такую гравитацию воспроизвести невозможно, поэтому требуется намного более высокая температура.

Также невозможно повлиять на квантовые процессы, происходящие при термоядерном синтезе. Во многом реакция возможна благодаря квантовой неопределённости: ядра водорода туннелируют сквозь потенциальный барьер, преодолевая кулоновское отталкивание. Ни одной гравитации и тепла было бы недостаточно для запуска самоподдерживающейся термоядерной реакции — ни в звезде, ни в реакторе. Поэтому звёзды светят, прежде всего, благодаря квантовой природе нашего мира.

Ожидается, что при полной загрузке ITER будет вырабатывать 500 МВт энергии термоядерного синтеза, потребляя при этом лишь 50 МВт входной тепловой энергии. При такой эффективности большая часть энергии будет поступать от саморазогрева плазмы, превращая её в устойчивую «горячую» среду.

Генеральный директор ITER Пьетро Барабаски (Pietro Barabaschi) отметил: «Уникальность ITER заключается не только в его технической сложности, но и в формате международного сотрудничества, который позволил проекту выжить в условиях меняющегося политического ландшафта. Это достижение доказывает, что, когда человечество сталкивается с экзистенциальными проблемами, такими как изменение климата и энергетическая безопасность, мы можем преодолеть национальные разногласия и найти решения. Проект ИТЭР — это воплощение надежды. С помощью ИТЭР мы показываем, что устойчивое энергетическое будущее и мирный путь вперёд возможны».

В проекте задействованы тысячи учёных и инженеров из 33 стран, однако в первую очередь он опирается на устойчивое партнёрство семи ключевых участников: Китая, Европы, Индии, Японии, Кореи, России и США

Вчера был последний день заседания Совета ИТЭР, в ходе которого были определены новые временные рамки ключевых этапов реализации проекта по строительству масштабного термоядерного реактора. Задержки могут составить до 10 лет. Это сделает проект дороже, но в целом не повлияет на достижение поставленных десять лет назад задач — зажечь на Земле «искусственное Солнце» и получить почти бесконечный источник чистой энергии.

Площадка ИТЭР в сентябре 2023 года. Источник изображения: ITER/EJF Riche

Согласно первоначальному плану, первую плазму на реакторе ИТЭР (ITER), который строится во Франции с участием 33 стран, включая Россию, должны были получить в 2025 году. Теперь это официально признано невозможным. Сектора вакуумной камеры, где должна циркулировать плазма, оказались изготовленными с несоблюдением размеров, что теперь приходится исправлять, а также выявлены дефекты сварки в охлаждающих трубах кожуха вакуумной камеры, что вынудило менять десятки километров труб.

Новый глава ИТЭР — Пьетро Барабаски (Pietro Barabaschi) — подчеркнул, что даже без выявления брака прежние сроки выдержать было нельзя, настолько затянулось строительство. Более подробный отчёт и новые даты этапов ввода реактора в строй гендиректор проекта озвучит в июле на брифинге. Пока же он заявляет, что начальная фаза операций, которая заключается в запуске дейтерий-дейтериевых реакций для синтеза трития, перенесена на 2035 год. Ранее на этот год были запланированы первые полноценные термоядерные реакции на установке на дейтерий-тритиевом топливе.

Новые сроки не означают, что все научные операции на проекте сдвинуты на десять лет. Эксперименты с малыми токами плазмы начнутся раньше по мере сборки реактора. Вероятно также, что первая плазма начнёт генерироваться раньше 2035 года. В конечном итоге задача ИТЭР — набить как можно больше шишек, чтобы на его примере постройка всех последующих коммерческих реакторов шла как можно глаже. Все страны-участницы проекта, представленные на Совете ИТЭР, с этим безоговорочно согласились.

Реактор ИТЭР не предназначен для генерации электрического тока. Эта задача будет возложена на другой международный проект — DEMO, который подразумевает постройку уже электростанции на термоядерном реакторе типа токамак. В задачи ИТЭР входит доказательство концепции — работы масштабного термоядерного реактора по схеме токамака. В идеале реактор должен выдавать мощность 500 МВт не менее 400 с без перерыва при потреблении 50 МВт непосредственно на нагрев плазмы. Вспомогательные структуры реактора при этом могут дополнительно потреблять 300 МВт, но для опытной установки это мелочи. Выход энергии всё равно будет положительным. Жаль только, что он опять откладывается.

Предприятие Госкорпорации «Росатом» — АО «НИКИЭТ» — изготовило первую серийную партию высокотехнологичных компонентов для международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР), строящегося на юге Франции. На базе компонентов российского производства будут изготовлены самые теплонагруженные передние стенки бланкета реактора — первой линии защиты реактора и внутрикамерного оборудования от контакта с плазмой.

Несущая конструкция панелей первой стенки бланкета ИТЭР. Источник изображения: АО «НИКИЭТ»

Россия должна изготовить 40 % передних стенок бланкета — это 179 изделий. Со стороны плазмы они покрыты бериллием, а под его защитой будет железоводный блок охлаждения с невероятной производительностью — до 100 кг теплоносителя в секунду. Передние стенки бланкета изготавливают АО «НИКИЭТ» и АО «НИИЭФА». Каждая такая стенка должна выдерживать нагрузку до 4,7 МВт на м². Это сменная деталь реактора, которая будет заменяться по мере износа, что продлит эксплуатацию реакторной камеры до 25 лет или дольше вместо 5 лет, если бы эти модули были несъёмными. Заменять блоки бланкета будет роботизированная система.

Основу передней стенки бланкета составляет несущая конструкция панелей первой стенки (НКПС) бланкета. АО «НИКИЭТ» сообщило об изготовлении первых серийных изделий НКПС. Всего до конца года будет изготовлено 20 таких компонентов. На базе НКПС собирается передняя стенка из защитных панелей, тепловых экранов и системы протока теплоносителя. Эти элементы будут испытывать в термоядерном реакторе колоссальные нагрузки по целому ряду воздействий — от радиационных до химических и тепловых, что требует высочайшей точности изготовления и соблюдения чистоты материалов.

«НИКИЭТ обладает значительными компетенциями и является одним из ключевых производителей компонентов для ИТЭР. Серийное производство изделий осуществляется на собственных производственных участках с применением высокотехнологичного оборудования, что гарантирует их высокое качество и соответствие всем установленным международным стандартам. До конца текущего года планируется завершить первый этап производства компонентов для 20 НКПС», — отметил заместитель главного конструктора по ядерно-физическим системам ИТЭР, начальник отдела разработки бланкетов и систем преобразования энергии для термоядерных реакторов АО «НИКИЭТ» Максим Николаевич Свириденко.

Передняя стенка бланкета, блок охлаждения и модуль бланкета в сборе, а также схема размещения модулей бланкета в реакторе

Разработка, изготовление и отправка уникального отечественного оборудования осуществляется в строгом соответствии с графиком сооружения экспериментального термоядерного реактора. Основной вклад Российской Федерации заключается в разработке, изготовлении и поставке 25 систем будущей установки. Но в какие сроки будет получена первая плазма в реакторе, сегодня можно только догадываться. Вместо продолжения сборки реактора его начали разбирать и ремонтировать.

На строящемся термоядерном реакторе ИТЭР на юге Франции начались ремонтные работы. На самом первом этапе сборки активной зоны реактора обнаружились дефекты производства компонентов и дефекты сборки — сектора изготовлены с нарушением габаритов, а система охлаждения пошла трещинами. Ремонт на годы отложит запуск реактора, и новой даты получения первой плазмы пока не названо.

Извлечение для ремонта сектора вакуумной камеры реактора. Источник изображения: ИТЭР

Активная зона реактора, по которой будет циркулировать 840 м³ плазмы, изготавливается в виде девяти одинаковых клиновидных секторов, каждый из которых весит 440 т и имеет высоту около 14 м. Каждый из секторов последовательно опускается в шахту реактора, и там происходит их сварка. Сварочные работы проводит робот. Первый сектор опустили в шахту в мае 2022 года. После спуска второго сектора выяснилось, что секции не совпадают по краям и робот не может наложить шов.

Проведение метрологической экспертизы выявило отклонения в размерах на других секторах. Это означало, что края секций необходимо в одних случаях подпиливать, а в других наращивать. С учётом габаритов каждой секции наращивать и спиливать необходимо будет сотни килограммов металла. Часть секций произведено в ЕС, а часть — в Южной Корее. Проблемы выявлены везде.

Проблему усугубляло то, что на каждый сектор в шахте установлены магниты тороидального поля, тепловые экраны и другое «железо», что увеличивает вес каждого модуля, который опускается в шахту, до 1200 т. Перед инженерами проекта стояла задача извлечь всё это из шахты без разборки, и эта процедура не была предусмотрена планом. Соответственно, не было никакой документации и регламента работ. Первый сектор извлекали четыре дня, и эта операция проведена успешно. Теперь его отвезли в сборочный цех для окончательного демонтажа навесных компонентов и ремонта.

Также предстоит ремонт тепловых экранов. Контроль выявил трещины в трубах охлаждения, которые появились вследствие коррозии после проведения сварочных работ (часть которых проводили сварщики без должной квалификации, как выяснилось). Необходимо в общей сложности заменить свыше 20 км труб охлаждения. Эти работы также невозможно было вести в шахте, и ремонтом будут заниматься после демонтажа экранов.

Совет ИТЭР должен был дать оценку происходящему весной этого года, чтобы установить новую дату получения первой плазмы. Очевидно, что ранее установленный срок — 2025 год, который и так неоднократно переносился, уже не подходит. Но совет уклонился от принятия ответственного решения и пообещал установить новую дату запуска реактора весной следующего года.

Реактор проекта ИТЭР не будет производить электрическую энергию. Это лишь доказательство концепции возможности запустить управляемую термоядерную реакцию с получением избытка энергии. Реактор должен в течение не менее 400 секунд вырабатывать 500 МВт энергии при затратах на запуск 50 МВт (в реальности потребуется ещё до 300 МВт на поддержку работы вспомогательных систем). Реактор ИТЭР утыкан датчиками, как ёжик иголками. В этом его основная задача — дать науке полное представление о возможностях практической реализации термоядерной реакции на уровне полномасштабных термоядерных электростанций.

На днях французские и европейские СМИ сообщили, что на проекте термоядерного реактора ИТЭР часть сварных работ проводили сварщики с поддельными сертификатами. Выявлено и уволено 13 рабочих, чья квалификация не нашла официального подтверждения. В то же время у руководства ИТЭР к сделанной им работе нет замечаний, хотя в свете вскрывшегося подлога её всё равно придётся инспектировать заново.

Рубашка контура охлаждения рабочей камеры реактора, в трубах которой обнаружены трещины. Источник изображения: ITER

Проблема отсутствия специалистов с необходимой квалификацией — это проблема не только ИТЭР (ITER), но также всех работ, связанных с проведением сложных строительно-монтажных операций во Франции и, возможно, в ЕС. Например, на атомных электростанциях EDF во Франции участились случаи ремонта сварных швов, что говорит о наличии скрытых дефектов в изначально проделанных швах. Квалифицированных специалистов становится меньше и вакансии приходится замещать людьми с сомнительными документами и неподтверждённым опытом работы.

С другой стороны, многие рабочие операции по сборке термоядерного реактора и сопутствующего оборудования проводятся впервые, и сертификация может просто не успевать за этим процессом. Часть ответственных работ, кстати, проводится роботами-сварщиками, например, роботизированная установка сваривает сегменты рабочей камеры реактора, по которой будет циркулировать разогретая до 150 млн °C плазма. В этом есть плюс, но и минус тоже. Выяснилось, что все девять сегментов рабочей камеры выполнены с превышением допустимых пределов и робот не может её сварить.

Наконец, хотя все уличённые в подделке сертификатов сварщики были уволены, а с подрядчиком разорвали контракт, работники могут задним числом подтвердить свою квалификацию. Ранее в Гааге уже был прецедент, когда три сварщика получили сертификаты после того, как были уволены с работы, для которой они формально не были квалифицированны.

Заметим, у проекта ИТЭР есть более серьёзные проблемы, чем сварщики без сертификата. Это несоответствие секторов рабочей камеры требуемым размерам, что придётся устранять спилами в одних местах и наращиванием металла в других, а это сотни килограмм металла, а также выявленные трещины в контуре охлаждения (вот тут сварщики без диплома могли натворить дел), что может потребовать заменить экран и десятки километров труб охлаждения. Всё это на годы отодвинет получение первой плазмы на ИТЭР, которую все ждали в 2025 году.

Добавим, руководство ИТЭР ещё в марте само проинформировало надзорную организацию Nuclear Safety Authority (ASN) Франции о проблеме со сварщиками. ASN посоветовала больше так не делать.