Введение

Существуют и регулярно публикуются различные прогнозы динамики

мирового потребления энергоресурсов и сокращения доступных запасов

невозобновляемого топлива. Несмотря на встречающиеся отличия в сроках, в

общих чертах выводы исследователей идентичны: исчерпание легко

добываемых энергоресурсов быстро приближается, и это ставит человечество

перед необходимостью искать выход. К тому же, наиболее существенно

растут потребности в топливе в странах — демографических гигантах —

Китае и Индии, а также в развивающихся государствах с меньшим

населением.

Отчасти компенсация наблюдающегося напряжения на рынке

энергоресурсов на небольшой срок может быть реализована за счет

использования значительных запасов угля и тяжелых нефтей, разведки новых

месторождений. Но для их освоения необходимы новые экологически

приемлемые технологии и новое оборудование, что непременно приведет к

значительному удорожанию потребляемой энергии. Поэтому в долгосрочной

перспективе не существует другого решения, кроме перехода на новые

источники энергии. К ним условно можно отнести атомную энергетику, доля

которой в мировом производстве электроэнергии составляет около 19%.

Условность отнесения связана с ограниченностью доступных запасов 235U —

топлива для реакторов на тепловых нейтронах. Поэтому ренессанс атомной

энергетики в полном объеме может состояться только при переходе к

бридерам — реакторам на быстрых нейтронах, способным сжигать 238U и

торий, запасов которых хватит на тысячелетия. Потребуется значительное

время для перехода на этот тип реакторов. Осторожные прогнозы относят

срок начала массового строительства реакторов-бридеров за 2030 год.

Солнечная, ветровая и приливная энергетика и использование

возобновляемых биоресурсов могут стать важными составляющими будущей

энергосистемы мира. Но они способны удовлетворить только локальные

потребности. Стоимость производимой энергии, по крайней мере, ветровой,

намного превосходит стоимость энергии тепловых и атомных станций.

Таким образом, для мегаполисов, густонаселенных и промышленных

районов единственным источником энергоснабжения останутся

крупномасштабные энергетические блоки, требования к которым по

обеспеченности ресурсами, безопасности и экологической совместимости

непрерывно возрастают.

В этом отношении термоядерная энергетика предоставляет уникальные

возможности. Она принципиально подразумевает практически

неограниченные ресурсы топлива, высокий уровень безопасности и в

наименьшей степени по сравнению с другими источниками воздействует на

окружающую среду. Привлекательность термоядерной энергетики остается

мощным стимулом продолжения работ по ее овладению, несмотря на то, что

более чем полувековые усилия пока не привели к созданию энергетического

термоядерного реактора. Обществу должны быть предъявлены веские

основания для продолжения работ в этом направлении. Главным

обстоятельством здесь является демонстрация примерного равенства

мощности термоядерной реакции в токамаке и мощности, затрачиваемой на

поддержание плазмы. Постоянный, хотя и небыстрый прогресс в результатах

и нарастающая проблема ресурсообеспеченности также поддерживают

внимание к управляемому термоядерному синтезу.

Потребление электроэнергии в мире

На рис. 1 представлен прогноз потребления элекртоэнергии в мире до

2030-го года [1].

Рис. 1. Потребление электроэнергии в мире

«Энергетический вызов», брошенный человечеству, возник в

результате сочетания трех следующих факторов:

1. На сегодняшний момент цивилизация потребляет огромное

количество энергии.

Потребление энергии в мире составляет около 20 тыс. ТВт-ч в год.

Однако распределение этой величины по планете является крайне

неравномерным: оно очень велико в нескольких странах и ничтожно — во

многих других. Потребление (в пересчете на одного человека) равно 10,3 кВт

в США (одно из рекордных значений), 6,3 кВт в Российской Федерации, 5,1

кВт в Великобритании и т. д., но, с другой стороны, оно равно лишь 0,21 кВт

в Бангладеше.

2. Мировое потребление энергии монотонно возрастает.

По прогнозу Международного агентства по энергетике (2006 год)

мировое потребление энергии к 2030 году должно увеличиться на 50%.

Развитые страны в меньшей степени нуждаются в дополнительной энергии,

однако этот рост необходим для того, чтобы избавить от нищеты население

развивающихся стран, где 1,5 миллиарда человек испытывают острую

нехватку электрической энергии.

3. В настоящее время 80% потребляемой миром энергии создается за

счет сжигания ископаемых природных топлив (нефть, уголь и газ).

По всем серьезным прогнозам запасы нефти в мире закончатся, в

основном, примерно через 50 лет. Даже на основании оценок Геологической

службы США (этот прогноз значительно оптимистичнее остальных) рост

мировой добычи нефти будет продолжаться не более 20 ближайших лет

(другие специалисты предсказывают, что пик добычи будет достигнут уже

через 5–10 лет), после чего объем добываемой нефти начнет уменьшаться со

скоростью около 3% в год. Перспективы добычи природного газа выглядят

ненамного лучше. Обычно говорят, что каменного угля нам хватит еще на

200 лет, но этот прогноз основан на предположении о сохранении

существующего уровня добычи и расхода.

Из реальных действий при подготовке к окончанию эпохи

использования ископаемого топлива можно выделить следующие:

1. Существенное снижение уровня потребления энергии.

Этот путь подразумевает повышение эффективности уже

существующих методов получения, передачи и использования энергии.

Разумеется, внедрение таких улучшений режимов работы потребует

начальных финансовых вложений, но они должны окупиться в долгосрочной

перспективе. Можно обозначить вполне доступные методики серьезного

сбережения энергии (например, за счет повышения эффективности

двигателей транспортных средств, рационализации методов строительства и

др.). Однако повышение эффективности использования энергии лишь

незначительно сократит рост ее потребления в мировом масштабе, а реальное

решение проблемы следует искать на пути сокращения огромного разрыва в

уровне жизни населения развитых стран и стран третьего мира.

2. Развитие использования других источников энергии.

К ним относятся ветер, солнечные батареи, геотермальные и морские

установки, гидроэлектростанции и т. д. Наблюдается огромный разрыв

между самыми радужными прогнозами возможностей новых источников (6

ТВт) и существующими потребностями, которые, помимо всего прочего,

постоянно растут. Представляется совершенно очевидным, что человечество

должно искать какие-то иные источники энергии, в качестве которых в

настоящее время реально можно рассматривать только Солнце и реакции

термоядерного синтеза.

Потенциально Солнце представляет собой практически неистощимый

источник энергии. Количество энергии, попадающей всего на 0,5%

поверхности планеты эквивалентно 19 ТВт (даже при условии его

преобразования с эффективностью всего 15%). Проблема заключается в

нашем неумении улавливать и преобразовывать эту энергию, что связано как

с высокой стоимостью солнечных батарей, так и с проблемами накопления,

хранения и дальнейшей передачи получаемой энергии в требуемые регионы.

Запасы одного из важнейших для работы подавляющего большинства

функционирующих сегодня АЭС материала (дешевого урана) также могут

быть полностью израсходованы в течение ближайших 50 лет. Возможности

основанной на делении ядер энергетики могут (и должны) быть существенно

расширены за счет использования более эффективных энергетических

циклов, позволяющих почти вдвое увеличить количество получаемой

энергии. Для развития энергетики в этом направлении требуется создавать

реакторы на тории (так называемые ториевые бридерные реакторы или

реакторы-размножители), в которых при реакции возникает больше тория,

чем исходного урана, в результате чего общее количество получаемой

энергии при заданном количестве вещества возрастает в 40 раз.

Перспективным представляется также создание плутониевых бридеров на

быстрых нейтронах, которые значительно эффективнее урановых реакторов

и позволяют получать в 60 раз больше энергии.

Термоядерные электростанции

Ядерный синтез, являющийся основой существования Солнца и звезд,

потенциально представляет собой неистощимый источник энергии для

развития Вселенной вообще. Эксперименты, проводимые в Великобритании

в рамках программы Joint European Torus (JET), являющейся одной из

ведущих исследовательских программ в мире, показывают, что ядерный

синтез может обеспечить не только текущие энергетические потребности

человечества (16 ТВт), но и гораздо большее количество энергии.

Основной вопрос состоит в том, сможем ли мы создать достаточно

надежные и экономически выгодные термоядерные установки.

Осуществление процесса ядерного синтеза в лабораторных условиях связано

с тремя очень сложными проблемами. Прежде всего, газовую смесь ядер D и

T следует нагреть до температур выше 100 M°C, каким-то образом

предотвращая его охлаждение и загрязнение (из-за реакций со стенками

сосуда). Для решения этой задачи были придуманы системы магнитного

удержания, получившие название «токамак», которые предотвращают

взаимодействие плазмы со стенками реактора.

В настоящее время во Франции ведется строительство международного

экспериментального термоядерного реактора ITER (International Tokamak

Experimental Reactor), который будет первым токамаком, способным

«зажечь» плазму.

Реактор ITER должен стать первой крупномасштабной энергетической

установкой, рассчитанной на длительную эксплуатацию. В дальнейшем

необходимо будет существенно улучшить параметры ее работы, что

потребует, в первую очередь, повышения давления в плазме, так как скорость

слияния ядер при заданной температуре пропорциональна квадрату давления.

Основная научная проблема при этом связана с тем, что при повышении

давления в плазме развиваются неустойчивости, приводящие к нестабильным

режимам работы.

На рис. 2 представлена принципиальная схема (без соблюдения

масштаба) устройства и принципа работы термоядерной электростанции. В

центральной части располагается тороидальная камера объемом ~2000 м3,

заполненная тритий-дейтериевой (T–D) плазмой, нагретой до температуры

выше 100 M°C. Образующиеся при реакции синтеза (1) нейтроны покидают

зону удержания и попадают в показанную на рисунке оболочку (бланкет) с

толщиной около 1 м.

Рис. 2. Принципу работы термоядерной электростанции

В этой установке будет происходить реакция ядерного синтеза, при

которой будет образовываться тритий. При этом количество образующегося

трития должно не только обеспечивать потребности самой установки, но и

быть даже несколько большим, что позволит обеспечивать тритием и новые

установки. Именно эта концепция работы должна быть проверена и

реализована на описываемом ниже реакторе ITER.

Выделяющееся в оболочке тепло, как и в обычных станциях,

отбирается первичным охлаждающим контуром с теплоносителем

(содержащим, например, воду или гелий) и передается на вторичный контур,

где и производится водяной пар, подающийся на турбины.

Преимущества ядерного синтеза

Основное преимущество ядерного синтеза состоит в том, что в

качестве топлива для него требуется лишь очень небольшое количество

весьма распространенных в природе веществ. Реакция ядерного синтеза в

описываемых установках может приводить к выделению огромного

количества энергии, в 107 раз превышающего стандартное тепловыделение

при реакциях сжигания ископаемого топлива. Количество угля,

необходимого для обеспечения работы тепловой электростанции мощностью

1 ГВт, составляет 104 тонн в день (десять железнодорожных вагонов), а

термоядерная установка такой же мощности будет потреблять в день лишь

около 1 килограмма смеси D+T.

Исходным топливом для термоядерного реактора являются литий и

вода. Литий — обычный металл, широко используемый в бытовых приборах

(в батарейках для мобильных телефонов и т. п.). Описанная выше установка,

даже с учетом неидеальной эффективности, сможет производить 200 МВт·ч

электрической энергии, что эквивалентно энергии, содержащейся в 70 т угля.

Требуемое для этого количество лития содержится в одной батарейке для

компьютера, а количество дейтерия — в 45 литрах воды. Указанная выше

величина соответствует современному потреблению электроэнергии (в

пересчете на одного человека) в странах ЕС за 30 лет. Дейтерия должно

хватить на миллионы лет, а запасы легко добываемого лития вполне

достаточны для обеспечения потребностей в течение сотен лет. Даже если

запасы лития в горных породах иссякнут, мы можем добывать его из воды,

где он содержится в достаточно высокой концентрации (в 100 раз

превосходящей концентрацию урана), чтобы его добыча была экономически

целесообразной.

Термоядерная энергетика не только обещает человечеству, в принципе,

возможность производства огромного количества энергии в будущем (без

выбросов CO2 и без загрязнения атмосферы), но и обладает рядом других

достоинств, перечисляемых ниже.

1. Высокая внутренняя безопасность.

Используемая в термоядерных установках плазма имеет очень низкую

плотность (примерно в миллион раз ниже плотности атмосферы), вследствие

чего рабочая среда установок никогда не будет содержать в себе энергии,

достаточной для возникновения серьезных происшествий или аварий. Кроме

того, загрузка «топливом» должна производиться непрерывно, что позволяет

легко останавливать ее работу, не говоря уже о том, что в случае аварии и

резкого изменения условий окружения термоядерное «пламя» должно просто

погаснуть.

2. Стоимость энергии.

Ожидается, что так называемая «внутренняя» цена получаемой

электроэнергии (стоимость самого производства) станет приемлемой, если

будет составлять 75% от уже существующей на рынке цены. Эта проблема,

однако, требует серьезного обсуждения, поэтому вопросы ценообразования

рассматриваются ниже отдельно. «Приемлемость» в данном случае означает,

что цена будет ниже цены энергии, получаемой с использованием старых,

углеводородных топлив. «Внешняя» цена (побочные эффекты, воздействие

на здоровье населения, климат, экологию и т. п.) будет по существу равной

нулю.

Риски

Во-первых, стоит отметить, что хотя продукты синтеза (гелий и

нейтроны) не являются радиоактивными, оболочка реактора при длительном

нейтронном облучении может стать радиоактивной. Однако при подборе для

оболочки материалов с заданными свойствами можно обеспечить распад

радиоактивных продуктов с периодом полураспада порядка 10 лет, а полная

замена всех компонент могла бы занять 100 лет. В случае полного отказа

контура охлаждения радиоактивность стенок будет продолжать выделять

тепло, но максимальная температура будет значительно ниже того значения,

при котором установка расплавится.

Во-вторых, тритий является радиоактивным и имеет относительно

небольшой период полураспада (12 лет). Но хотя объем используемой

плазмы значителен, из-за ее низкой плотности там содержится лишь очень

небольшое количество трития (общим весом примерно как десять почтовых

марок). Поэтому, даже при самых тяжелых ситуациях и авариях (полное

разрушение оболочки и выделение всего содержащегося в ней трития,

например, при землетрясении и падении самолета на станцию), в

окружающую среду поступит лишь незначительное количество топлива, что

не потребует эвакуации населения из близлежащих населенных пунктов.

Существуют три основные причины столь длительной задержки в

овладении термоядерной энергией. Первую из которых можно назвать

внешней или общественной, а две остальные — внутренними, то есть

обусловленными законами и условиями развития самой термоядерной

энергетики.

1. Долгое время считалось, что проблема практического использования

энергии термоядерного синтеза не требует срочных решений и действий, так

как еще в 80-х годах прошлого столетия источники ископаемого топлива

казались неистощимыми, а проблемы экологии и изменения климата не

волновали общественность. В 1976 году Консультативный комитет по

термоядерной энергии в Министерстве энергетики США попытался оценить

сроки осуществления НИОКР и создания демонстрационной термоядерной

энергетической установки при разных вариантах финансирования

исследований. При этом обнаружилось, что объемы годичного

финансирования исследований в данном направлении совершенно

недостаточны, и при сохранении существующего уровня ассигнований

создание термоядерных установок никогда не завершится успехом,

поскольку выделяемые средства не соответствуют даже минимальному,

критическому уровню.

2. Более серьезное препятствие на пути развития исследований в

данной области состоит в том, что термоядерную установку обсуждаемого

типа нельзя создать и продемонстрировать в малых размерах. Из

представленных далее объяснений станет ясно, что для термоядерного

синтеза необходимо не только магнитное удержание плазмы, но и

достаточный ее нагрев. Отношение затрачиваемой и получаемой энергии

возрастает, по меньшей мере, пропорционально квадрату линейных размеров

установки, вследствие чего научно-технические возможности и

преимущества термоядерных установок могут быть проверены и

продемонстрированы лишь на достаточно крупных станциях, типа

упоминавшегося реактора ITER. Общество просто не было готово к

финансированию столь крупных проектов, пока не было достаточной

уверенности в успехе.

3. Развитие термоядерной энергетики носило очень сложный характер,

однако (несмотря на недостаточное финансирование и трудности выбора

центров для создания установок JET и ITER) в последние годы наблюдается

явный прогресс, хотя действующая станция еще не создана.

Мы не должны, конечно, исключать возможность обнаружения каких-

то негативных тенденций при развитии данного направления науки и

связанных с ней технологий. Например, нет никаких гарантий, что при

изучении плазмы в реакторе ITER мы не столкнемся с возникновением

новых видов неустойчивости, несмотря на то, что пока все теоретические и

модельные исследовании указывают на низкую вероятность таких эффектов.

Предстоящие шаги на пути к синтезу

Основной следующий шаг состоит в построении реактора ITER,

спроектированного с целью демонстрации самой возможности поджигания

плазмы и получения на этой основе хотя бы десятикратного выигрыша в

энергии (по отношению к энергии, затрачиваемой на разогрев плазмы).

Реактор ITER будет представлять собой экспериментальное устройство,

которое даже не будет снабжено турбинами для производства

электроэнергии и устройствами для ее использования. Целью его создания

является изучение условий, которые должны выполняться при работе таких

энергетических установок, а также создание на этой основе настоящих,

экономически выгодных электростанций, которые по размерам, по-

видимому, должны превосходить ITER (по крайней мере на 30% в каждом из

измерений). Создание реальных прототипов термоядерных электростанций

(то есть станций, полностью оборудованных турбинами и т. д.) требует

решения двух следующих задач. Во-первых, необходимо продолжить

разработку новых материалов (способных выдерживать очень суровые

условия эксплуатации в описанных условиях) и провести их испытания в

соответствии со специальными правилами для аппаратуры системы IFMIF

(International Fusion Irradiation Facility), описанной ниже. Во-вторых,

необходимо решить много чисто технических задач и развить новые

технологии, относящиеся к дистанционному управлению, нагреву,

конструкции оболочек, топливным циклам и т. д.

На рис. 3 показан реактор ITER. Намеченная проектировщиками

мощность установки 500 МВт (при затрате энергии на входе системы всего

около 50 МВт).

Рис. 3. Международный экспериментальный термоядерный реактор ITER.

Реактор ITER создается консорциумом, в который входят Европейское

Сообщество, Япония, Россия, США, Китай, Южная Корея и Индия. Общая

численность населения этих стран составляет около половины всего

населения Земли, так что проект можно назвать глобальным ответом на

глобальный вызов. Основные компоненты и узлы реактора ITER уже созданы

и испытаны, а строительство идет в местечке Кадараш (Франция). Запуск

реактора запланирован на 2018 год, а получение дейтерий-водородной

плазмы — на 2026 год, так как ввод реактора в действие требует длительных

и серьезных испытаний для плазмы из водорода и дейтерия.

Основной целью постройки реактора ITER является демонстрация уже

достигнутых успехов в управлении плазмой и возможности реального

получения энергии в термоядерных устройствах на основе существующей

аппаратуры. Дальнейшее развитие в этом направлении, конечно, потребует

многих усилий для повышения эффективности работы устройств, особенно с

точки зрения их экономической целесообразности, что связано с серьезными

и длительными исследованиями, как на реакторе ITER, так и на других

устройствах.

Проектирование термоядерных станций

Последнее и наиболее полное исследование концептуальных проблем

проектирования и создания термоядерных электростанций было

осуществлено к 2005 году в рамках Европейского соглашения по развитию

термоядерной энергетики (European Fusion Development Agreement). В этом

документе отмечалась ценность уже полученных результатов,

подтверждающих «жизнеспособность» термоядерной энергетики, и

намечались основные пути развития, обсуждаемые ниже. Авторы полагали,

что первые термоядерные электростанции будут созданы, скорее всего, на

основе уже известных устройств типа токамак (типа ITER/JET).

В качестве возможных вариантов создания реактора рассматривались

четыре модели (А–D), отличавшиеся проектом установки, особенностями

физического поведения плазмы, а также технологическими правилами и

ограничениями. Конечной целью проектировщиков во всех случаях была

экономическая оптимальность в целом, представляемая в виде некоторой

функции от основных параметров конструкции. Параметризация стоимости

производимой реактором электроэнергии должна была в дальнейшем

использоваться для определения приоритетных направлений исследований и

развития в рассматриваемой области.

Рассчитанные на ближайшую перспективу модели (A и B)

основывались на простой экстраполяции уже полученных результатов и

предлагали относительно консервативное развитие идей, заложенных в

проект ITER. С другой стороны, авторы моделей C и D предполагали

возможное существенное улучшение эффективности реактора.

Исследования показали, что стоимость производимой при помощи

термоядерных реакций энергии уменьшается с ростом генерируемой

мощности P, причем это уменьшение описывается приблизительно

степенной зависимостью вида P−0,4. При этом предполагалось, что

максимальная мощность станции, приемлемая для внешней энергетической

системы, составит 1,5 ГВт. С учетом роста рабочей температуры и

термодинамической эффективности, мощность станции в разных проектах

изменялась, уменьшаясь от модели А (с мощностью 5 ГВт термоядерной

энергии) к модели D (с мощностью 2,5 ГВт термоядерной энергии). Конечная

стоимость получаемой с помощью термоядерных реакций электроэнергии в

разных моделях, естественно, очень сильно зависит от капитальных

вложений в строительство реакторов. Полную стоимость столь длительного и

сложного проекта оценить очень сложно, поскольку цены и расходы на

строительство наверняка будут изменяться. Для грубых оценок стоимости

производимой энергии можно считать, что она (помимо затрат на

строительство) будет зависеть только от двух факторов: банковской учетной

ставки d и степени доступности энергии для потребителя а. Зависимости

цены энергии от величин d и a приближенно описываются степенными

законами ~d0,6 (при значениях d в интервале от 5 до 10%) и a−0,6, а

приводимые ниже оценки стоимости энергии основаны на предположении,

что параметр d равен 6% (это близко к реальному уровню), а параметр а —

0,75. Основная проблема при создании будущих термоядерных станций —

обеспечение высокой степени доступности энергии для потребителя.

Доведение этого параметра примерно до 75% будет способствовать

интенсивному развитию станций, в результате чего очень быстро будут

решены и многие другие технические проблемы системного развития

технологий, связанные с управлением, обеспечением надежности, методами

строительства (с учетом опыта создания атомных станций) и т. п.

Стоимость производимой станциями электроэнергии, по оценкам

самих авторов проектов, изменялась в широких пределах: от 9

евроцентов/кВт (в исходной модели А) до 5 евроцентов/кВт (в исходной

модели D), но предполагается, что эта цена будет уменьшаться по мере

развития и «взросления» технологий. При этом даже высокая цена в модели

А практически является вполне конкурентной, особенно с учетом нового

налога на сжигание угля, введенного в связи с ограничением промышленных

выбросов в атмосферу. Потребность в источниках энергии может заставить

проектировать и строить более крупные термоядерные станции (с

мощностью P > 1,5 ГВт), что должно привести к снижению стоимости

производимой энергии, как упоминалось ранее.

Из оценок можно сделать общий вывод, что создание термоядерных

станций вполне разумно с точки зрения экономики, особенно если учесть их

важность для сохранения окружающей среды. Реальность этих проектов

подтверждается началом создания реактора ITER, разработкой специальной

аппаратуры IFMIF для испытания требуемых материалов, а также быстрым

развитием различных технологий, связанных с термоядерной энергетикой

вообще.

Сроки развития термоядерной энергетики

Подробное изучение временных сроков и возможностей развития

термоядерной энергетики было осуществлено в 2004 году организацией

UKAEA Culham (Великобритания). Авторы исследования уже тогда

предложили обеспечить достаточное финансирование всех связанных с

термоядерной энергетикой разработок, не дожидаясь окончания переговоров

относительно реактора, выбора места для его строительства, принятия новых

политических и экономических решений и т. п. Кроме того, авторы пришли к

выводу, что реализация проекта ITER не должна больше приводить к

неприятным сюрпризам. Требуемая для окончательной оценки возможностей

проекта «DEMO» информация будет оценена, конечно, лишь после анализа

данных, полученных на реакторе ITER и в результате испытаний,

проводимых на аппаратуре IFMIF. С использованием этой, точно

«попадающей во время» информации можно предсказать, что через десять

лет после создания реактора ITER и применения аппаратуры IFMIF мы

сможем приступить к созданию демонстративной станции «DEMO» уже

через 20 лет (а получать электроэнергию непосредственно в

распределительные сети через 30 лет). Примерно через 10 лет после этого

можно ожидать появления коммерческой сети реально действующих

термоядерных электростанций.

Следует особо подчеркнуть, что описываемый подход (создание

«колеи» для будущей технологии) является техническим проектом, а вовсе не

предсказанием. Введение конкретных сроков и временных рамок потребует

изменения направленности интересов связанных с этими работами ученых

именно к «индустриальному» проекту. Разумеется, этот подход приведет и к

соответствующим изменениям в области финансирования и выработки

политических решений.

Документ организации Culham соответствует взвешенному подходу с

низким уровнем риска, и его значение может даже существенно возрасти при

изменении связанных с проектом финансовых рисков, то есть, например,

если еще до запуска установки «DEMO» в экспериментах на реакторе ITER

обнаружится, что возможна генерация и восстановление in situ ядер трития.

Снижение финансовых рисков и ускорение сроков проектирования может

быть обеспечено при условии параллельного создания нескольких установок

одновременно. В частности, в рамках проекта «Apollo» было бы интересно

начать изготовление установки типа «DEMO» (меньшего масштаба и с

меньшей эффективностью) уже сейчас, сочетая параллельно и аккуратно

конструкции ITER с аппаратурой IFMIF. Результатом таких разработок могла

бы стать более совершенная система, в которой будут учтены все достижения

конструирования реальной установки «DEMO», что позволит нам

приблизиться к проектированию реальных термоядерных электростанций.

Другие исследователи полагают, что больше всего пользы от ядерного

синтеза будет, если его использовать при утилизации отходов от работы

обычных атомных электростанций. В мире разрабатываются гибридные

реакторы на основе и синтеза, и деления ядер. В нем нейтроны, возникающие

в процессе синтеза, поглощаются оболочкой, в которой идет процесс

ядерного распада. Вместо топлива там дожигаются радиоактивные отходы,

которые остаются от работы традиционных атомных станций. Чистая

термоядерная энергетика в лучшем случае представляет собой очень

долгосрочный проект, зато на промежуточной ступени ее развития уже

сегодня есть возможность приносить определенную пользу.

Стратегия развития термоядерной энергетики в России

Рассмотрим основные положенияя стратегии овладения энергией

термоядерного синтеза в Российской Федерации на период до 2015 годы и

дальнейшую перспективу.

Стратегия должна определять цели, долгосрочные ориентиры

важнейших направлений деятельности, а также основные принципы и

средства государственной политики, реализующие стратегические интересы

Российской Федерации в области термоядерной энергетики.

Оптимизация структуры энергетики России должна быть направлена на

увеличение доли экологически чистых способов генерации энергии, к

которым относится управляемый термоядерный синтез (УТС). Достижение

электрической мощности в 1 ГВт на первой термоядерной электростанции к

середине текущего столетия позволяет рассчитывать на последующий рост

объемов производства на термоядерных станциях до 100 и более ГВт к концу

века. Значительная доля термоядерной энергии (до 50%) может быть

направлена на генерацию водорода как экологически чистого

энергоносителя.

Предложенный и впервые реализованный в России в середине XX века

принцип магнитного удержания термоядерной плазмы в установках типа

«токамак» в настоящее время лег в основу мировой стратегии работ по

созданию энергетического термоядерного реактора.

Наиболее вероятный сценарий овладения термоядерной энергией

предполагает реализацию и освоение режимов длительного горения

термоядерной реакции в рамках международного проекта ITER,

демонстрацию производства электроэнергии в рамках международной

кооперации по проекту демонстрационной термоядерной электростанции

(DEMO) или на национальной опытной термоядерной электростанции (ОТЭ)

и создание промышленных термоядерных станций на национальной

технологической базе.

Приоритетами cтратегии должны стать:

развитие отечественных термоядерных технологий с целью

ускоренного завершения этапа НИОКР и перехода к практическому

использованию термоядерной энергии;

развитие высокотехнологичных наукоемких отраслей, производств и

рынков наукоемкой продукции, базирующихся на инновационных

термоядерных технологиях, либо испытывающих их воздействие;

инвестиции в интеллектуальный капитал и развитие кадрового

потенциала;

использование в национальных интересах преимуществ и результатов

интеграции России в мировую термоядерную программу.

Цель стратегии — овладение энергией термоядерного синтеза на базе

отечественных инновационных технологий и продуктивного

международного сотрудничества, начало промышленной выработки

термоядерной электроэнергии в России к 2050 году.

В долгосрочной перспективе планируется реализовать стратегию в три

этапа, используя федеральные целевые программы и международные

соглашения как базовые инструменты управления.

Государственная политика в отношении термоядерной энергетики

должна быть направлена на нормативно-правовую деятельность, разработку

и реализацию федеральных целевых программ, международных соглашений,

установление четких приоритетов в решении научных, технологических,

экономических, социальных и других задач, позволяющих решить проблему

создания термоядерной энергетики. При реализации федеральных целевых

программ приоритетность мероприятий будет определяться данной

Стратегией. Существенная часть мероприятий должна быть реализована

органами исполнительной власти, организациями Росатома, Минпромэнерго

России, Минобрнауки России и РАН.

Международная кооперация в области УТС — составная часть

Стратегии. Международное сотрудничество позволит существенно сократить

национальные затраты на конструирование, сооружение и строительство

ПТЭ.

Государственное регулирование в области термоядерной энергетики

должно быть направлено на обеспечение безопасности, организацию

лицензирования работ, контроля качества, подготовки и переподготовки

кадров, а также выработку технических регламентов.

Создание объектов инфраструктуры термоядерной энергетики при

государственном участии обеспечит развитие и внедрение термоядерных

технологий, их продвижение на внутренний и внешний рынки.

Развитие термоядерной энергетики потребует активной роли

государства в социальной сфере. На этапе 2008–2015 годов будет создано

около 2000 рабочих мест в высокотехнологичной сфере. На этапе

сооружения ПТЭ численность привлеченных специалистов составит около

20000 человек.

Комплекс экологических проблем УТС будет решаться в соответствии

с принципами государственной политики в данной области, которые

включают платность природопользования и возмещение вреда, нанесенного

окружающей среде, обязательность проведения государственной

экологической экспертизы проектов термоядерных станций и крупных

технологических объектов.

В долгосрочной перспективе (2030–2035 годы) должны быть решены

проблемы материалов, базовых термоядерных технологий и оптимизации

рабочих режимов в ДЕМО. В перспективе до 2050 года необходимо

завершить конструирование и строительство ПТЭ.

SWOT-анализ в 1980-х гг. был адаптирован для задач общественного

управления в сферах регионального развития и муниципального

планирования. Неоднократно применение SWOT-анализа являлось

успешным в сфере планирования и разработки стратегий в энергетике.

Две главные компоненты SWOT-анализа — индикаторы внутренней

среды, описываемые через имеющиеся сильные стороны (strenghts) и слабые

стороны (weaknesses) и показатели внешней среды — возможности

(opportunities) и угрозы (threats).

Однако, связать показатели внутренней и внешней среды и компоненты

SWOT-анализа достаточно противоречиво и зачастую нелогично с учетом

затраченных усилий и времени. Для устранения этих недостатков, SWOT-

анализ комбинируют с PEST-анализом (political, economic, social, technical) —

широко распространенной методологией анализа внутренней и внешней

среды. В рамках предшествующего исследования SWOT-анализ применялся

вместе со STEEP-анализом (social, technical, economic, ecological, political —

расширение метода PEST).

На рис. представлен процесс выявления SWOT-компонент с помощью

PEST-анализа, в котором рассматриваются политические, экономические,

социальные и технологические аспекты термоядерной энергетики.

Показатели PEST разделены на факторы внутренней и внешней сред, а также

на положительные и отрицательные по оказываемому эффекту. Результатом

такого анализа является набор компонент — входных данных для

применения метода SWOT в контексте термоядерной энергетики.

Рис. 4. Компоненты SWOT-анализа получаются при проведении PEST.

Начальная диагностика термоядерного сектора приводит к картине,

отраженной в табл. 1. Показатели внутренней и внешней сред, имеющие

определяющее значение в случае термоядерной энергетики, определены при

проведении PEST-анализа.

Табл. 1. SWOT-анализ термоядерного сектора

Внешняя среда Положительные Отрицательные

Политические

Усиление долгосрочных стратегий

низкоуглеродных энергетических

технологий в мире

Ускорение развития термоядерной

энергетики в Китае, ЕС, Японии, США

Экономические

Более высокий потенциал

термоядерной энергетики в

долгосрочном периоде

Слабый стимул развития термоядерной

энергетики с т. з. промышленнности

Социальные

Растущая потребность в безопасной энергетике

(например, после аварии на АЭС Фукусима-I)

Задержка в строительстве АЭС

ТехнологическиеОграничения различных

альтернативных источников энергии

Ускорение НИОКР реактора ДЕМО

Возможности Угрозы

Внутренняя среда Положительные Отрицательные

Политические

Хорошо разработанная законодательная база

для развития термоядерной

энергетики

Политический риск долгосрочного

инвестирования в термоядерную

программу

Экономические

Эффективное использование

российских ресурсов в термоядерном секторе

Увеличение потребностей в краткосрочных

выигрышахСоциальные Растущая потребность в

экологически чистой энергетической

технологии

Недостаточная информированность общественности о

термоядерной

энергетике

ТехнологическиеУспешная работа установки Т-15

Долгое время реализации

промышленного термоядерного реактора

Сильные стороны Слабые стороны

SWOT-анализ используется для выработки стратегий улучшения

сложившейся ситуации. На данном этапе полезно сопоставить элементы

показателей внутренней среды (S/W) с элементами показателей внешней

среды (O/T). Это сопоставление позволяет определить четыре типа

стратегий: наступательную стратегию (S-O), стратегию переориентации (W-

O), стратегию выживания (W-T) и оборонительную стратегию (S-T).

Матрица SWOT-анализа для термоядерной энергетики представлена в

табл. 2.

Сильные стороны Слабые стороны

Возможности (S-O) стать лидером

(W-O) Стимулировать фундаментальные

исследования и подготовку кадров

Угрозы(S-T) оживлять международное сотрудничество

(W-T) Ускорить лицензирование

технологий и принятие идеи общественностью

Национальные технологические стратегии развития термоядерной

энергетики получены в результате комбинирования методологии PEST и

SWOT-анализа. Основные стратегии развития термоядерной энергетики

следующие:

Для развития сильных сторон с целью реализации имеющихся

возможностей, Россия должна занять лидирующие позиции в сфере

развития термоядерной энергетики.

Для преодоления слабых сторон и реализации возможностей Россия

должна стимулировать фундаментальные исследования и подготовку

кадров.

Для отражения угроз благодаря имеющимся сильным сторонам Россия

должна предпринимать активное международное сотрудничество.

Дабы избежать ситуации, при которой слабые стороны могут стать

уязвимыми к угрозам, Россия должна усилить лицензирование

технологий и принятие идеи термоядерной энергетики

общественностью (public acceptance).

Заключение

Современный мир стоит перед очень серьезным энергетическим

вызовом, который более точно можно назвать «неопределенным

энергетическим кризисом». Проблема связана с тем, что запасы ископаемых

горючих веществ могут иссякнуть уже во второй половине текущего

столетия.

В настоящее время почти вся потребляемая человечеством энергия

создается сжиганием ископаемых топлив, а решение проблемы может быть

связано с использованием солнечной энергии или ядерной энергетики

(созданием реакторов-размножителей на быстрых нейтронах и т. п.).

Глобальная проблема, обусловленная ростом населения развивающихся

стран и их потребностью в повышении уровня жизни и увеличении объема

производимой энергии, не может быть решена только на основе

рассматриваемых подходов, хотя, конечно, следует поощрять любые

попытки развития альтернативных методов выработки энергии.

Собственно говоря, у нас небольшой выбор стратегий поведения, и я

считаю, что развитие термоядерной энергетики является исключительно

важным, даже несмотря на отсутствие гарантии успеха.

Литература

1. BP Energy Outlook 2030, London, 2012

2. К. Ллуэллин-Смит, На пути к термоядерной энергетике, открытая

лекция 17 мая 2009, ФИАН, Москва, Россия

3. Massachusetts Institute of Technology, The Future of Nuclear Power: an

Interdisciplinary Study, MIT, 2003

4. Massachusetts Institute of Technology, Update of the MIT 2003 Future

of Nuclear Power Interdisciplinary Study, MIT, 2009

5. Massachusetts Institute of Technology, The Future of the Nuclear Fuel

Cycle: an Interdisciplinary Study, MIT, 2010