Небольшие экспериментальные токамаки были построены по всему миру. И они успешно продемонстрировали, что люди могут создать высокотемпературную плазму и поддерживать ее стабильность в течение некоторого времени. Но до промышленного дизайна еще далеко.
Получение термоядерной энергии синтезом в реакторе легких элементов
Когда атом распадается на две части, либо в результате физического распада, либо в результате возбуждения, он высвобождает энергию. Этот процесс известен как деление ядер, который имеет большой потенциал, а потребление энергии такого типа относительно велико в современном мире. Ядерное деление, или деление с выделением энергии, сопряжено с рядом проблем безопасности, экологии и политики, которые могут помешать использованию ядерной энергии. Существует также термоядерная энергия.
Термоядерный синтез — это процесс, при котором легкие ядра объединяются в реакторе с образованием более крупных ядер в результате теплового процесса с положительным выходом энергии.
Определение деления
Атом содержит протоны и нейтроны в центральном ядре. При ядерном делении ядро распадается либо в результате радиоактивного распада, либо из-за бомбардировки другими субатомными частицами, называемыми нейтрино. Получившиеся части имеют меньшую общую массу, чем исходное ядро, и недостающая масса преобразуется в ядерную энергию. При управляемом ядерном делении очень легкое нейтрино бомбардирует ядро атома и расщепляет его на два меньших ядра одинакового размера. При делении высвобождается значительное количество энергии — в 200 раз больше энергии нейтронов, с которых начался процесс, — а также по крайней мере еще два нейтрино.
Такие контролируемые реакции используются на атомных электростанциях для выделения энергии. Неконтролируемые реакции используются в ядерном оружии.
Радиоактивное деление, при котором ядро тяжелого элемента спонтанно испускает заряженную частицу при распаде на меньшее ядро, происходит только в тяжелых элементах.
Ядерное деление отличается от ядерного синтеза, при котором два ядра соединяются, а не разделяются. Плавление под воздействием температуры — это синтез.
Открытие атомной энергии
В 1938 году немецкие физики Отто Хан и Фриц Штрассман бомбардировали атом урана нейтронами в попытке образовать тяжелые элементы. Однако ядро урана распалось на более легкие элементы барий и криптон, которые намного меньше урана. Ученые были озадачены неожиданными результатами, когда открыли деление ядер. Австрийский физик Лиза Мейтнер, бежавшая в Швецию после вторжения Гитлера в ее страну, поняла, что при делении ядер также выделяется энергия. Решая эту задачу, она обнаружила, что при делении образуется по крайней мере два нейтрона. В конце концов, другие физики поняли, что каждый вновь высвобожденный нейтрон может вызвать две отдельные реакции, каждая из которых может произвести еще как минимум одну. Одно столкновение может запустить цепную реакцию и управлять высвобождением еще большего количества энергии.
В ходе мысленной цепной реакции ученые начали осознавать потенциал нового открытия. В письме венгерского физика Лео Силарда президенту США Франклину Рузвельту в начале Второй мировой войны, подписанном Альбертом Эйнштейном, указывалось, что эти исследования могут быть использованы для создания бомбы эпических масштабов, и рассматривалась идея о том, что немцы могут надежно создать и развернуть такое оружие. Рузвельт выделил средства на американские исследования, и в 1941 году было создано Управление научных исследований и разработок, чтобы использовать исследования для национальной обороны. В 1943 году армейская инженерная корпорация взяла на себя исследования в области ядерного оружия. Известный как Манхэттенский проект, этот сверхсекретный проект привел к созданию первой атомной бомбы в июле 1945 г. Ядерное оружие было использовано в ходе военного удара по городам Хиросима и Нагасаки в Японии. С тех пор ядерные исследования считаются чрезвычайно чувствительными к политическому балансу. Деление ядер чаще всего используется для получения энергии на атомных электростанциях. Однако в результате этого процесса образуется значительное количество ядерных отходов, которые могут быть опасны для людей и окружающей среды. В то же время люди часто боятся опасностей, связанных с атомными электростанциями, и не хотят видеть их на своей территории. Эти проблемы означают, что ядерная энергия не так популярна, как более традиционные методы получения энергии, такие как использование ископаемого топлива.
Зачем нужна термоядерная энергия?
Чтобы предотвратить повышение глобальной температуры более чем на 1,5 градуса Цельсия в этом столетии, международное сообщество должно сократить выбросы углекислого газа на 45% к 2030 году и до нуля к середине века. Между тем, выбросы продолжают расти с каждым годом, и этот процесс ускоряется. Сухие цифры: в 2017 году рост составил 1,6%, а в 2018 году достиг рекордного уровня в 2,7%. Что еще хуже, прогнозируется, что к 2040 году глобальный спрос на энергию увеличится примерно на 27% или на 3 743 млн. тонн нефтяного эквивалента (mtoe). Тонна нефтяного эквивалента — это единица энергии, которая определяется как количество энергии, выделяемой при сжигании одной тонны сырой нефти.
Что если бы существовало энергетическое решение, которое могло бы решить все эти насущные проблемы? Это звучит фантастически, но это существует на самом деле.
Одной из самых мощных форм энергии, которую мы используем сегодня, является ядерная энергия. Хотя современная ядерная энергия чрезвычайно эффективна и не производит выбросов углекислого газа, она имеет много недостатков, причем серьезных: возможные расплавления и радиоактивные отходы, которые остаются опасными в течение тысяч лет.
Но есть лучший способ.
Что такое термоядерный синтез и как его применить на Земле?
Все современные ядерные реакторы используют деление, расщепление атомов для получения энергии. В течение многих лет ученые задавались вопросом, как можно использовать обратный процесс — ядерный синтез, который «питает» Солнце путем слияния атомов — для удовлетворения растущих потребностей Земли в энергии. Ядерный синтез сам по себе является очень мощным процессом, во много раз более мощным, чем деление ядер, и он не производит ядерных отходов, поскольку топливом является водород, а не уран или плутоний. Если разработка термоядерного реактора будет успешной, ученые создадут на Земле «мини-солнце».
«Осуществление управляемых термоядерных реакций, которые потребляют больше энергии, чем требуется для их создания, в промышленных масштабах рассматривается как возможный ответ на изменение климата», — объясняет научный корреспондент Натаниэль Гроневолд в Scientific American. «Термоядерная энергия устранит потребность в ископаемом топливе и решит проблемы неустойчивости и надежности, связанные с возобновляемыми источниками энергии. Энергия будет производиться без опасной радиации, которая вызывает озабоченность при ядерном делении.
Официальные лица Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР), многонационального проекта, расположенного на юге Франции, объявили, что до исторической вехи — первой плазмы — осталось всего 6,5 лет. Согласно пресс-релизу, опубликованному на этой неделе, проект ИТЭР, поддерживаемый консорциумом из 35 стран, завершен на 65%. Недавно установленная часть — основание криостата и нижний цилиндр — прокладывает путь для установки токамака, технологической структуры, выбранной для сильного магнитного поля, которое будет окружать термоядерное ядро перегретой плазмы.
Проблемы ядерного синтеза
Ядерный синтез так трудно осуществить из-за экстремальных условий — таких, как в ядре Солнца, — которые необходимо воспроизвести здесь, на Земле. Министерство энергетики США говорит: «Реакции термоядерного синтеза изучаются учеными, но их трудно поддерживать в течение длительных периодов времени из-за огромного давления и температуры, необходимых для слияния ядер».
Для получения термоядерной энергии необходимо удерживать очень горячую плазму под высоким давлением. Для магнитного удержания очень горячей плазмы — во много раз более горячей, чем центр Солнца — требуются сильные магнитные поля. Оно должно быть в 10 раз выше, чем атмосферное давление на поверхности Земли. Сила магнитного поля является решающим параметром для достижения этих условий, поскольку она обеспечивает как изоляцию для поддержания плазмы в горячем состоянии, так и внешнее давление для поддержания ее стабильности — и все это без физического контакта между плазмой и поверхностью материала.
Несмотря на то, что ядерный синтез дает невероятные перспективы для решения некоторых из самых сложных мировых проблем, время уходит, и многие эксперты считают, что даже если ядерный синтез не за горами, время не на нашей стороне. Хотя есть надежда, что ИТЭР будет запущен к 2025 году, а полностью функционировать будет примерно к 2035 году, это может быть слишком поздно. Уже в 2019 году эксперты по климату утверждали, что 12-летний срок, установленный Межправительственной группой экспертов по обращению глобальных изменений, возможно, придется сократить до 18 месяцев. Ханс Йоахим Шелльнхубер из Потсдамского института климата объяснил это год назад: «Климатическая математика ясна: даже если мир не удастся вылечить в ближайшие несколько лет, он может быть фатально поврежден к 2020 году из-за пренебрежения.
Однако на этой неделе надежда на чистую энергию возродилась.
Кто изобрел токамак
Первым, кто предложил использовать ядерный синтез, в том числе в промышленных целях, был советский физик О.А. Лаврентьев. Он сделал это в своей работе 1950 года, которая положила начало изучению способов использования термоядерного синтеза.
О.А. Лаврентьев также является отцом водородной бомбы.
Год спустя другие физики — А.Д. Сахаров и И.Е. Тамм — развили эту идею дальше и заявили, что термоядерная реакция должна происходить в закрытой тороидальной камере.
Тор (тороид) — это трехмерная форма, возникающая в результате вращения кольца вокруг центра вращения. Грубыми примерами тора являются пончик, крендель или велосипедная камера, состоящая из колеса.
Термин «токамак» был предложен И.Н. Головиным, учеником ученого Курчатова. В его версии, однако, это должно было быть «токамаг» (тороидальная магнитная камера), но позже люди стали использовать более приятное слово «токамак».
А.Д. Сахаров и И.Е. Тамм
Первый действующий токамак был построен в 1954 году, но до 1968 года они существовали только в СССР, поскольку мало кто верил в существование столь высоких температур внутри камеры. Только когда британские ученые посетили Токамак Т-3 в Курчатовском институте атомной энергии и подтвердили температуру в 11,6 миллионов градусов Цельсия с помощью своего оборудования, это привело к взрыву популярности и исследований в этой области во всем мире.
Токамак по-прежнему считается наиболее перспективным методом получения термоядерной энергии и изучения плазмы как общего состояния материи.
На Земле плазма в естественной среде встречается только в молниях и северном сиянии, в то время как в космосе она буквально повсюду — в звездах, туманностях и межзвездном пространстве.
Как работает токамак
Для создания магнитного поля внутри токамака он состоит из секций с намотанными внутри катушками. Поскольку они проходят по всей длине камеры и образуют своего рода замкнутый туннель, результирующее магнитное поле называется тороидальным. Это рабочая область системы.
Перед началом работы камера токамака эвакуируется и заполняется смесью дейтерия и трития. Они составляют основу реакции синтеза.
Дейтерий — это изотоп водорода, ядро которого состоит из протона и нейтрона. Тритий — это изотоп водорода, ядро которого состоит из одного протона и двух нейтронов.
Преимущество использования этих двух элементов заключается в том, что они очень дешевы. Дейтерий очень легко получить из воды, которая в изобилии имеется на нашей планете, в то время как тритий синтезируется, хотя и несколько более сложным способом, но даже это не является большой проблемой.
Когда камера заполняется, создается электрическое вихревое поле, которое удерживает плазму в камере, нагревая ее до одинаковой температуры в несколько миллионов градусов.
Сейчас здесь работают люди, но скоро здесь будет 150 миллионов градусов.
Поскольку поле и нагрев создаются за счет увеличения тока в катушке и не могут увеличиваться бесконечно, время, в течение которого плазма находится в устойчивом состоянии, составляет всего несколько секунд. Это основная причина, по которой мы пока не можем использовать токамаки в качестве источника для промышленного производства электроэнергии. Существуют способы решения этой проблемы, в том числе использование микроволнового излучения, но работа в этом направлении еще не завершена.
Стенки токамака не вступают в контакт с плазмой и поэтому не плавятся, но они по-прежнему находятся под сильным напряжением. По этой причине стенки изготавливаются из бериллия и разрезаются на небольшие квадратные пластины. Это облегчает рассеивание тепла.
Однако микроволновое излучение уже используется в токамаке, поскольку одного электромагнитного поля недостаточно для нагрева плазмы до температуры, необходимой для термоядерной реакции.
Обычная физика частиц однозначно утверждает, что ядра с одинаковым зарядом отталкиваются друг от друга. Однако, когда они достигают очень высоких температур, они начинают вести себя по-другому и образуют ядро гелия и свободный нейтрон. В этот момент высвобождается огромное количество энергии. В обычных условиях он используется для взаимодействия атомов друг с другом.
Самый большой термоядерный реактор
Конечно, можно сказать, что самый большой термоядерный реактор — это Солнце, но это все относительно, есть звезды и побольше. Крупнейшим термоядерным реактором на Земле является Международный термоядерный экспериментальный реактор (ИТЭР), который строится на юге Франции с 2007 года и, как и Большой адронный коллайдер, является международным проектом.
Первая плазма должна быть произведена в 2020 году, а первая электроэнергия подана в сеть в 2027 году, но сроки уже не соблюдаются, потому что многие заинтересованные стороны (каждая по-своему) задерживают проект, а также потому, что ничего подобного раньше не делалось.
Чтобы описать его потенциал, достаточно сказать, что внутри него будет достигнута температура в 150 миллионов градусов Цельсия. Это в 10 раз больше, чем внутренняя часть ядра Солнца. Представить себе такие ценности просто невозможно.
Кто будет строить токамак ИТЭР?
Когда ИТЭР будет завершен (а мы сообщим вам об этом в нашем новостном канале Telegram), он станет главной исследовательской установкой по термоядерному синтезу для дальнейшего изучения этой ядерной реакции как возможного будущего источника энергии.
Среди интересных фактов об ИТЭР — размер токамака, который будет иметь диаметр 28 метров и высоту 28 метров. Проектная мощность составляет 0,5 ГВт (на 2,5 ГВт больше, чем у самой мощной из существующих в настоящее время установок). Магнитное поле будет составлять 10 Тесла (магнитное поле Земли составляет 0,00005 Тесла).
Стоимость проекта составляет всего 15 миллиардов долларов. Для сравнения, за 28 лет на МКС было потрачено 53 млрд долларов, а на подготовку к чемпионату мира по футболу 2022 года в Катаре — около 130 млрд долларов.
Пробкотрон, стелларатор, токамак
Другим способом создания необходимых условий для реакции являются так называемые открытые магнитные ловушки. Самый известный из них — «прокотрон»: трубка с продольно направленным магнитным полем, которое становится сильнее на концах и слабее в середине. Усиленное поле на концах создает «магнитную пробку» (отсюда и русское название) или «магнитную зеркальную машину», которая не позволяет плазме выходить через концы. Однако это ограничение является неполным; некоторые заряженные частицы, движущиеся по определенным путям, могут случайно проникнуть через эти пробки. И в результате столкновений каждая частица рано или поздно окажется на такой орбите. Кроме того, плазма в прокотроне также нестабильна: если в любой момент небольшая часть плазмы отодвигается от оси устройства, возникают силы, которые отбрасывают плазму к стенке камеры. Хотя базовая концепция фельтрон была значительно усовершенствована (уменьшена как нестабильность плазмы, так и проницаемость пробки), на практике она даже близко не подошла к параметрам, необходимым для энергоэффективного термоядерного синтеза.
Можно ли сделать так, чтобы существо не вырвалось из «затычек»? Казалось бы, очевидное решение — намотать плазму на кольцо. Однако магнитное поле внутри кольца в этом случае сильнее, чем снаружи, и плазма стремится вырваться обратно к стенке камеры. Выход из этой сложной ситуации также казался вполне очевидным: вместо того чтобы формировать кольцо, сделать «восьмерку», тогда одна часть частиц будет отходить от оси массива, а другая — возвращаться. Так ученые пришли к идее первого астероида. Поскольку такую «восьмерку» невозможно сделать в одной плоскости, им пришлось использовать третье измерение и изогнуть магнитное поле во втором направлении, что также привело к постепенному отступлению частиц от оси в сторону стенки камеры.
Ситуация резко изменилась с созданием установок типа «токамак». Результаты, полученные в Токамаке Т-3 во второй половине 1960-х годов, были настолько впечатляющими для того времени, что западные ученые приехали в Советский Союз с измерительным оборудованием, чтобы самостоятельно проверить параметры плазмы. Реальность даже превзошла их ожидания.
Эти фантастически замысловатые трубки — не произведение искусства, а камера астероида, согнутая в сложную трехмерную кривую.
В руках инерции
Помимо магнитного удержания, существует принципиально иной подход к термоядерному синтезу — инерционное удержание. В первом случае, если вы долго пытаетесь удержать плазму с очень низкой концентрацией (концентрация молекул в воздухе вокруг вас в сотни тысяч раз выше), во втором случае вы сжимаете плазму до огромной плотности, на порядок превышающей плотность тяжелых металлов, в расчете на то, что реакция сможет протекать в течение того короткого времени, пока плазма не успеет рассеяться. Первоначально, в 1960-х годах, существовал план использования небольшой сферы замороженного термоядерного топлива, которая равномерно облучалась бы со всех сторон несколькими лазерными лучами. Поверхность сферы немедленно испарится и равномерно расширится во всех направлениях, сжимая и нагревая оставшееся топливо. На практике, однако, облучение было недостаточно равномерным. Кроме того, часть лучистой энергии передавалась внутренним слоям, вызывая их нагрев и затрудняя сжатие. В результате шар сжимался неравномерно и слабо.
Существует несколько современных конфигураций астероидов, все они напоминают тор. Одной из наиболее распространенных конфигураций является использование катушек, аналогичных многопольным катушкам токамака, и четырех-шести разнонаправленных проводников тока, намотанных вокруг вакуумной камеры. Созданное таким образом сложное магнитное поле позволяет надежно удерживать плазму без необходимости пропускания через нее циклического электрического тока. Кроме того, на астероидах можно использовать катушки тороидального поля, как в токамаках. Причем спиральных проводников может и не быть, но тогда катушки «тороидального» поля располагаются вдоль сложной трехмерной кривой. Последние разработки в области астероидов включают использование магнитных катушек и вакуумной камеры с очень сложной рассчитанной компьютером формой (сильно «сложенный» тор).
Проблема неравномерности была решена путем существенного изменения конструкции мишени. Теперь сфера помещается в специальную небольшую металлическую камеру (называемую полостью) с отверстиями, через которые проникают лазерные лучи. Кроме того, кристаллы используются для преобразования инфракрасного лазерного излучения в ультрафиолетовый свет. Это ультрафиолетовое излучение поглощается тончайшим слоем материала Holraum, который при этом нагревается до огромных температур и испускает мягкое рентгеновское излучение. Рентгеновские лучи, в свою очередь, поглощаются более тонким слоем на поверхности топливной капсулы (топливного шара). Это также позволило решить проблему преждевременного нагрева внутренних слоев.
Однако мощность лазера была недостаточной для того, чтобы значительная часть топлива вступила в реакцию. Кроме того, эффективность лазера была очень низкой — всего около 1 %. Чтобы термоядерный синтез с такой низкой эффективностью лазера был энергетически выгодным, почти все сжатое топливо должно вступить в реакцию. Когда они попытались заменить лазеры пучками легких или тяжелых ионов, которые можно производить с гораздо более высокой производительностью, ученые также столкнулись с рядом проблем: Легкие ионы отталкиваются друг от друга, поэтому их нельзя сфокусировать, и они не могут столкнуться с остальным газом в камере, а ускорители тяжелых ионов невозможно создать с нужными параметрами.
Магнитные перспективы
Большинство надежд в области термоядерной энергетики сегодня связано с токамаками. Особенно после обнаружения их усиленного заключения. Токамак заключен как в кольцо Z-пинча (кольцеобразный электрический ток проходит через плазму, создавая магнитное поле, необходимое для ее удержания), так и в серию провокотронов, расположенных в кольце, которое создает «волнистое» тороидальное магнитное поле. Кроме того, на тороидальное поле катушек и поле плазменного тока в плоскости тора накладывается вертикальное поле, создаваемое несколькими отдельными катушками. Это дополнительное поле, называемое поляризующим полем, усиливает магнитное поле плазменного тока (также поляризующего) на внешней стороне дуги и ослабляет его на внутренней. Таким образом, общее магнитное поле со всех сторон плазменной струи оказывается одинаковым, а ее положение остается постоянным. Изменяя это дополнительное поле, можно перемещать плазменную струю в определенных пределах внутри вакуумной камеры.
Принципиально иной подход к синтезу предлагает концепция мюонного катализа. Мюон — это нестабильная элементарная частица, имеющая тот же заряд, что и электрон, но массу в 207 раз больше массы электрона. Мюон может заменить электрон в атоме водорода, делая атом в 207 раз меньше. Поэтому одно ядро водорода может приближаться к другому без затрат энергии. Но для создания мюона требуется около 10 ГэВ энергии, что означает, что для получения энергии на один мюон необходимо несколько тысяч реакций синтеза. Из-за возможности «застревания» мюона в гелии, образующемся в результате реакции, не удавалось достичь более нескольких сотен реакций. На фотографии изображен звездный комплекс Вендельштейн z-x из Института физики плазмы имени Макса Планка.
Долгое время основной проблемой токамаков была необходимость создания циклического тока в плазме. Для этого через центральное отверстие токамака был пропущен магнитопровод, магнитный поток которого постоянно менялся. Изменение магнитного потока создает вихревое электрическое поле, которое ионизирует газ в вакуумной камере и поддерживает ток в образующейся плазме. Однако ток в плазме должен постоянно поддерживаться, что означает, что магнитный поток должен постоянно изменяться в одном направлении. Это, конечно, невозможно, поэтому ток в токамаках может поддерживаться только в течение ограниченного времени (от долей секунды до нескольких секунд). К счастью, был открыт так называемый бутстрапный ток, который возникает в плазме без внешнего искривляющего поля. Кроме того, были разработаны методы нагрева плазмы и одновременного индуцирования необходимого кольцевого тока. Таким образом, плазма может сохраняться теплой как можно дольше. На практике рекорд в настоящее время принадлежит токамаку Tore Supra, в котором плазма «горела» непрерывно более шести минут.
Второй тип системы плазменного контейнера, который обещает многое, — это стартер. Дизайн астероидов за десятилетия претерпел значительные изменения. Из первоначальной «восьмерки» осталось совсем немного, и эти объекты находятся гораздо ближе к токамакам. Время пребывания в них меньше, чем в токамаках (из-за менее эффективного Н-режима), а стоимость строительства выше, но поведение плазмы более рыхлое, что означает, что внутренняя стенка первой вакуумной камеры имеет более длительный срок службы. Для коммерческой разработки термоядерного синтеза этот фактор очень важен.
Из чего состоит реактор ITER?
Токамак представляет собой вакуумную камеру в форме тора с магнитными катушками и криостатом массой 23 тысячи тонн. Как уже ясно из определения, у нас есть палата. Глубокая вакуумная камера. В случае ИТЭР это будет 850 кубических метров свободного объема камеры, в которой при запуске будет находиться всего 0,1 грамма дейтерий-тритиевой смеси.
1. вакуумная камера, содержащая плазму. 2. инжектор нейтрального пучка и нагрев плазмы радиочастотами при температуре 150 миллионов градусов. 3. сверхпроводящие магниты, которые окружают плазму. 4. крышки, защищающие камеру и магниты от нейтронной бомбардировки и нагрева. 5. дефлектор, отводящий тепло и продукты термоядерной реакции. 6. диагностические приборы для изучения физики плазмы. Включает счетчики и нейтронные камеры. 7. криостат — огромный термос глубокого вакуума, который защищает магниты и вакуумную камеру от нагрева.
А вот так выглядит «малая» вакуумная камера, где находятся модели персонала. Его высота составляет 11,4 метра, а вес — 8 500 тонн, включая перекрытия и дефлектор.
На внутренних стенах камеры находятся специальные блоки, называемые потолками. В них циркулирует вода. Свободные нейтроны, выходящие из плазмы, попадают в эти маты и замедляются водой. Это приводит к их нагреву. Сами одеяла защищают остальную часть машинимы от теплового излучения, рентгеновских лучей и вышеупомянутого нейтронного излучения плазмы.
Такая система необходима для продления срока службы реактора. Каждое одеяло весит около 4,5 тонн и будет заменяться роботизированной рукой примерно каждые 5-10 лет, поскольку эта первая линия защиты будет подвержена испарению и нейтронному излучению.
Но это еще не все. Камера оснащена внутрикамерным оборудованием, термопарами, акселерометрами, вышеупомянутыми системами покрытия 440, системами охлаждения, экранирующим блоком, дефлектором, 48-элементной магнитной системой, высокочастотными плазменными нагревателями, инжектором нейтральных атомов и т.д. И все это в огромном криостате высотой 30 метров, такого же диаметра и объемом 16 000 кубических метров. Криостат гарантирует глубокий вакуум и сверххолодную температуру для камеры токамака и сверхпроводящих магнитов, которые охлаждаются до температур ы-269 градусов Цельсия жидким гелием.
Ниже. Одна треть дна криостата. В общей сложности эта «колба-термос» будет состоять из 54 элементов
А вот так выглядит криостат на фотографии. Его производство было передано на аутсорсинг в Индию. Внутри термоса находится собранный реактор
Криостат уже собран. Здесь, например, можно увидеть окно, через которое частицы подаются в реактор для нагрева плазмы.
Производство всего этого оборудования является общим для стран-участниц. Например, часть одеял обрабатывается в России, корпус криостата — в Индии, а части вакуумных камер — в Европе и Корее.
Однако это отнюдь не быстрый процесс. И у дизайнеров нет права на ошибку. Команда ИТЭР сначала моделирует нагрузки и требования к элементам конструкции, испытывает их на фундаменте (например, под воздействием плазменного оружия, такого как дефлектор), дорабатывает и улучшает их, собирает прототипы и снова испытывает их перед выпуском окончательного элемента.
Зачем нужен ITER и кто за него платит?
Токамак ИТЭР станет первым термоядерным реактором, который будет производить больше энергии, чем требуется для нагрева самой плазмы. Кроме того, он сможет сохранять стабильность гораздо дольше, чем существующие установки. Ученые утверждают, что в этом и заключается смысл столь масштабного проекта.
Реактор призван преодолеть разрыв между небольшими экспериментальными установками сегодняшнего дня и термоядерными электростанциями будущего. Например, в 1997 году британский токамак достиг рекордной термоядерной мощности в 16 МВт при 24 МВт, в то время как ИТЭР был рассчитан на 500 МВт термоядерной мощности при 50 МВт добавочного тепла.
На токамаке будут испытываться технологии нагрева, управления, диагностики, криогенного и дистанционного обслуживания — все технологии, необходимые для термоядерного реактора промышленного масштаба.
Мирового производства трития будет недостаточно для электростанций будущего. По этой причине технология литийсодержащей крышки бридера также проходит испытания в ИТЭР. Он будет использоваться для синтеза трития из термоядерных нейтронов.
Однако не стоит забывать, что это эксперимент, пусть и дорогостоящий. Токамак не будет иметь турбин или других систем для преобразования тепла в электричество. Это означает, что коммерческого производства в виде прямой выработки электроэнергии не будет. Почему? Потому что это усложнило бы проект с технической точки зрения и сделало бы его еще более дорогим.
Система финансирования довольно сложная. На этапе строительства реактор и другие системы комплекса будут финансироваться ЕС примерно на 45%, в то время как другие участники внесут по 9%. Однако большая часть взносов осуществляется «в натуральной форме». Большинство компонентов будут поставляться непосредственно в ИТЭР странами-участницами.
Они прибывают во Францию по морю и перевозятся из порта на строительную площадку по дороге, специально разработанной французским правительством. Страна вложила 110 миллионов евро и четыре года работы в 104-километровую трассу ИТЭР. Трасса была расширена и укреплена. К 2021 году здесь будут проходить 250 колонн с огромными грузами. Самые тяжелые рельсы весят до 900 тонн, самые высокие — 10 метров в высоту, а самые длинные — 33 метра в длину.
До сих пор ИТЭР не введен в эксплуатацию. Тем не менее, уже существует проект DEMO для термоядерной электростанции, чтобы продемонстрировать привлекательность коммерциализации технологии. Этот комплекс предназначен для непрерывной выработки 2 ГВт энергии (а не импульсами, как ИТЭР).
График реализации нового глобального проекта зависит от успеха ИТЭР, но согласно плану 2012 года, первый запуск DEMO состоится не ранее 2044 года.
Читайте также:
Наш Telegram-канал. Следуйте за нами!
Оставайтесь на связи с редакцией: Читайте публичный чат Onliner и пишите нам в Viber!
Никакие тексты и фотографии с сайта Onliner.by не могут быть перепечатаны без разрешения редакции. sk@onliner.by.
Базовые принципы работы термоядерной установки
Для неподготовленной части аудитории я вкратце расскажу об основных идеях, лежащих в основе ИТЭР.
Экспериментальный реактор построен для изотопов водорода — дейтерия и трития. Если ядро обычного водорода состоит из одного протона, то ядро дейтерия содержит один протон и один нейтрон, а ядро трития — один протон и два нейтрона. В результате реакции дейтерия и трития образуется сложное пятиэлементное ядро, которое распадается на гелий и один нейтрон.
Ядерная реакция дейтерия и трития с образованием гелия и свободного нейтрона.
Гелий — это инертный газ, который не причиняет вреда. Свободный нейтрон имеет короткий период жизни, сам по себе он не опасен. Поэтому нейтрон нужно каким-то образом захватить и замедлить, а его кинетическую энергию использовать. Один из вариантов — нагреть воду, создать вихрь и преобразовать эту энергию в электричество.
Чтобы соединить дейтерий и тритий, их необходимо разогнать навстречу друг другу. В больших количествах это можно сделать путем нагревания смеси двух газов. Чтобы осуществить эту реакцию в масштабах ИТЭР (с определенным соотношением входных и выходных параметров), смесь, согласно предварительным расчетам, должна быть нагрета до 100-200 миллионов градусов Цельсия (Кельвина или Цельсия — уже неважно). Для сравнения, температура Солнца составляет всего 10 миллионов градусов, поэтому температура внутри экспериментального реактора должна быть в 10-20 раз выше.
Для поддержания плазмы при такой температуре в ограниченном объеме можно использовать электрические и магнитные поля.
В Советском Союзе был предложен подходящий прибор — тороидальная камера, токамак.
Секция через термоядерный реактор ИТЭР
Токамак — это магнитная катушка, в которой создаются магнитные поля для удержания плазмы в «желобе».
Огромные перспективы термоядерного синтеза опираются на три столпа.
- Топливо для описанной реакции, по сути, бесконечно, существующих запасов землянам хватит на миллионы лет: дейтерий доступен в Мировом океане, а тритий можно производить в неограниченном количестве из лития.
- Взрыв или ядерное разрушение в результате неконтролируемой термоядерной реакции невозможны в принципе. Если что-то идет не так, реакция просто затухает.
- И третий — это отсутствие выбросов. На выходе мы имеем гелий, который остается в плазме и подогревает ее, а также нейтрон с большой кинетической энергией, который нужно просто поймать. Сама установка, конечно, облучается нейтронами, но не производит ядерные отходы.
С увеличением размеров и температуры механические проблемы возрастают нелинейно. Вам потребуется в два раза больший объем плазмы и в четыре раза больший объем катушки. Вам нужны сверхпроводники, которые должны быть завернуты в своеобразный термос и иметь внутри температур у-270 градусов. Все это нетривиальные технические задачи.
ИТЭР: диаметр 28 метров, высота 30 метров. Масса — 30 тысяч тонн
Вот как выглядит ИТЭР. Тремограф находится внутри колбы, называемой криостатом. Это внешняя оболочка, которая охлаждает сверхпроводники катушек, генерирующих магнитное поле.
Краткая история ITER
Впервые проект ИТЭР был публично обсужден на саммите в Женеве в 1985 году, на пике оттепели в международных отношениях. США и СССР — в лице Горбачева и Рейгана — договорились о сотрудничестве в области термоядерного синтеза. А крестным отцом ИТЭР, вероятно, был Е.П. Велихов, советский ученый, предложивший эту идею Горбачеву.
Встреча Рейгана и Горбачева на саммите в Женеве, 1985 год.
Некоторое время соглашение существовало в своеобразном вакууме, но в начале 2000-х годов оно было возрождено.
После подписания соглашения между семью странами-участницами в Елисейском дворце в ноябре 2006 года стало ясно, что проект ИТЭР будет реализован.
Строительные работы на участке начались в 2007 г. К 2010 г. участок был расчищен, земля выровнена и возведено несколько зданий. Они начали рыть котлован для комплекса токамаков. На фотографии видны автомобили и дома. Площадь вырытого котлована равна городскому кварталу.
В 2011 году они начали заливать фундамент.
На фотографии ниже видны активные сейсмические опоры. Их можно заменить: Если один из них ломается, специальный робот спускается под здание и заменяет его.
Над бетонной плитой находится специальная сейсмостойкая арматура, которая заполняется бетоном.
Я пришел в проект в 2013 году, и в то время все было построено под землей, и выглядело это вот так:
В конце 2014 года началось строительство надземных стен. На фотографии ниже вы можете видеть сборочный корпус. Здесь все крупные компоненты системы предварительно собираются и транспортируются в здание «Токамака» с помощью большого крана.
А это высоковольтная подстанция и трансформаторы.
В 2015 году к монтажному корпусу были добавлены наружные стены.
А это фото из 2016 года:
А на фото ниже хорошо виден прогресс с 2014 г. до весны 2020 г. Фотографии сделаны с разных ракурсов, но на них видны значительные улучшения.
Структура проекта
Как я уже сказал, в проекте семь участников. Основное соглашение заключается в том, что Европейский Союз внесет 45%, а другие страны — по 9%. Деньги инвестируются — в центральную организацию на юге Франции. А также оборудование (части завода) и лучшие мозги.
На гистограмме ниже показано, как страны-участницы инвестируют в каждый сектор.
Под восьмой аббревиатурой JF находится доля остальных стран (Казахстан и Австралия). Это распределение довольно плоское. Направления не распределены между отдельными странами, чтобы избежать концентрации знаний в отдельных секторах в одних руках. Каждый занимается всем понемногу. Россия, например, отвечает за верхние отверстия вакуумной камеры. Компания также производит различные диагностические системы.
Здесь видно, что Россия поставляет катушки тороидального поля, некоторые дефлекторы, некоторые блоки тепловой защиты и некоторые вакуумные камеры.
Один важный момент, который я хотел бы упомянуть, — это организация процессов в ИТЭР.
В центре структуры находится генеральный директор Организации ИТЭР, а над ним — Совет ИТЭР, в который входят представители всех партнеров, участвующих в проекте. Правительства стран, участвующих в проекте, показаны на рисунке зеленым цветом.
Управляющий совет руководит всем процессом и диктует свои решения директору. Директор, в свою очередь, реализует их, управляя рядом отделов. На рисунке показаны только три, но в действительности их гораздо больше.
Отделы поддерживают связь с операторами в государствах-членах (иногда их называют «оригинаторами») и взаимодействуют с лабораториями и промышленностью — именно они производят компоненты токамаков и вспомогательные системы.
Некоторые подсистемы производятся непосредственно ИТЭР, но большинство проходит через всю цепочку — от менеджера до завода в конкретной стране.
Как видно из диаграммы, линейного управления проектами не существует. Местные власти имеют доступ к своим правительствам, и цепочка замкнута. Эта нелинейность является важной особенностью ИТЭР: в решение каждой проблемы вовлечены разные стороны.
Существует четыре основные фазы ИТЭР.
График работы проекта. Ожидается, что полная мощность будет достигнута в 2035 году. После этого система будет использоваться только в научных целях и для тестирования технологии.
Так называемая конфигурация «ближней ступени» должна произвести первую плазму к декабрю 2025 года. Эта дата была установлена несколько лет назад и не менялась, несмотря на изменения в короновирусе и политические изменения.
В такой конфигурации ИТЭР будет работать только шесть месяцев. Мы называем эту фазу «гражданской плазмой»: при низкой мощности она поможет нам протестировать вакуумную камеру, систему нагрева и магниты. В конечном итоге нам необходимо установить, что вакуумная камера работает и что плазма генерируется.
Затем мы начинаем сборку тонких систем, включая систему плазменного нагрева. Предварительная эксплуатация «Энергии 1» и «Энергии 2» запланирована на 2028 и 2032 годы соответственно, по мере продвижения сборки.
