Термоядерный реактор информация. Дорога к солнцу - всемирная стройка термоядерного реактора во франции

Главная

Лето

Международный экспериментальный термоядерный реактор ITER без преувеличения можно назвать самым значительным исследовательским проектом современности. По масштабам строительства он легко заткнет за пояс Большой адронный коллайдер, а в случае успеха ознаменует для всего человечества гораздо больший шаг, чем полет на Луну. Ведь в потенциале управляемый термоядерный синтез — это практически неиссякаемый источник небывало дешевой и чистой энергии.

Этим летом нашлось сразу несколько веских причин освежить в памяти технические подробности проекта ITER. Во‑первых, грандиозное начинание, официальным стартом которого считается встреча Михаила Горбачева и Рональда Рейгана в далеком 1985 году, на наших глазах принимает материальное воплощение. Проектирование реактора нового поколения при участии России, США, Японии, Китая, Индии, Южной Кореи и Евросоюза заняло более 20 лет. Сегодня ITER — это уже не килограммы технической документации, а 42 га (1 км на 420 м) идеально ровной поверхности одной из крупнейших в мире рукотворных платформ, расположенной во французском городе Кадараш, в 60 км севернее Марселя. А также фундамент будущего 360 000-тонного реактора, состоящий из 150 000 кубометров бетона, 16 000 т арматуры и 493 колонн с резинометаллическим антисейсмическим покрытием. И, конечно же, тысячи сложнейших научных инструментов и исследовательских установок, разбросанных по университетам всего мира.

Март 2007. Первая фотография будущей платформы ITER с воздуха.

Производство ключевых компонентов реактора идет полным ходом. Весной Франция отрапортовала об изготовлении 70 каркасов для D-образных катушек тороидального поля, а в июне началась намотка первых катушек из сверхпроводящих кабелей, поступивших из России от Института кабельной промышленности в Подольске.

Вторая веская причина вспомнить об ITER именно сейчас — политическая. Реактор нового поколения — испытание не только для ученых, но и для дипломатов. Это настолько дорогостоящий и технически сложный проект, что ни одной стране мира не потянуть его в одиночку. От способности государств договариваться между собой как в научной, так и в финансовой сфере зависит, удастся ли довести дело до конца.

Март 2009. 42 га разровненной площадки ожидают начала строительства научного комплекса.

На 18 июня был запланирован Совет ITER в Санкт-Петербурге, однако Государственный департамент США в рамках санкций запретил американским ученым посещать Россию. Принимая во внимание тот факт, что сама идея токамака (тороидальной камеры с магнитными катушками, лежащей в основе ITER) принадлежит советскому физику Олегу Лаврентьеву, участники проекта отнеслись к данному решению как к курьезу и попросту перенесли совет в Кадараш на ту же дату. Эти события лишний раз напомнили всему миру о том, что Россия (наряду с Южной Кореей) наиболее ответственно относится к исполнению своих обязательств перед проектом ITER.

Февраль 2011. Более 500 отверстий просверлено в сейсмоизолирующей шахте, все подземные полости заполнены бетоном.

Ученые жгут

Словосочетание «термоядерный реактор» у многих людей вызывает настороженность. Ассоциативная цепочка понятна: термоядерная бомба страшнее просто ядерной, а значит, термоядерный реактор опаснее Чернобыля.

На самом деле ядерный синтез, на котором основывается принцип работы токамака, намного безопаснее и эффективнее ядерного деления, применяемого в современных АЭС. Синтез используется самой природой: Солнце представляет собой не что иное, как естественный термоядерный реактор.

Токамак ASDEX, построенный в 1991 году в немецком Институте Макса Планка, используется для испытания различных материалов первой стенки реактора, в частности вольфрама и бериллия. Объем плазмы в ASDEX — 13 м 3 , почти в 65 раз меньше, чем в ITER.

В реакции задействованы ядра дейтерия и трития — изотопов водорода. Ядро дейтерия состоит из протона и нейтрона, а ядро трития — из протона и двух нейтронов. В обычных условиях одинаково заряженные ядра отталкиваются друг от друга, однако при очень высоких температурах они могут сталкиваться.

При соударении в игру вступает сильное взаимодействие, которое отвечает за объединение протонов и нейтронов в ядра. Возникает ядро нового химического элемента — гелия. При этом образуется один свободный нейтрон и выделяется большое количество энергии. Энергия сильного взаимодействия в ядре гелия меньше, чем в ядрах исходных элементов. За счет этого результирующее ядро даже теряет в массе (согласно теории относительности энергия и масса эквивалентны). Вспомнив знаменитое уравнение E = mc 2 , где c — это скорость света, можно представить себе, какой колоссальный энергетический потенциал таит в себе ядерный синтез.

Август 2011. Начата заливка монолитной железобетонной сейсмоизолирующей плиты.

Чтобы преодолеть силу взаимного отталкивания, исходные ядра должны двигаться очень быстро, поэтому ключевую роль в ядерном синтезе играет температура. В центре Солнца процесс протекает при температуре 15 млн градусов Цельсия, но ему способствует колоссальная плотность вещества, обусловленная действием гравитации. Колоссальная масса светила делает его эффективным термоядерным реактором.

Создать такую плотность на Земле не представляется возможным. Нам остается лишь наращивать температуру. Чтобы изотопы водорода отдали землянам энергию своих ядер, необходима температура 150 млн градусов, то есть в десять раз выше, чем на Солнце.

Ни один твердый материал во Вселенной не может напрямую контактировать с такой температурой. Так что просто построить печку для приготовления гелия не получится. Решить проблему помогает та самая тороидальная камера с магнитными катушками, или токамак. Идея создания токамака осенила светлые головы ученых из разных стран в начале 1950-х, при этом первенство однозначно приписывается советскому физику Олегу Лаврентьеву и его именитым коллегам Андрею Сахарову и Игорю Тамму.

Вакуумная камера в форме тора (пустотелого «бублика») окружается сверхпроводящими электромагнитами, которые создают в ней тороидальное магнитное поле. Именно это поле удерживает раскаленную до десяти солнц плазму на некотором расстоянии от стенок камеры. Вместе с центральным электромагнитом (индуктором) токамак представляет собой трансформатор. Изменяя ток в индукторе, порождают течение тока в плазме — движение частиц, необходимое для синтеза.

Февраль 2012. Установлено 493 1,7-метровых колонны с сейсмоизолирующими подушками из резинометаллического сэндвича.

Токамак можно по праву считать образцом технологического изящества. Электрический ток, протекающий в плазме, создает полоидальное магнитное поле, опоясывающее плазменный шнур и поддерживающее его форму. Плазма существует при строго определенных условиях, и при их малейшем изменении реакция немедленно прекращается. В отличие от реактора АЭС, токамак не может «пойти вразнос» и неконтролируемо наращивать температуру.

В маловероятном случае разрушения токамака не происходит радиоактивного заражения. В отличие от АЭС, термоядерный реактор не производит радиоактивных отходов, а единственный продукт реакции синтеза — гелий — не является парниковым газом и полезен в хозяйстве. Наконец, токамак очень бережно расходует топливо: во время синтеза в вакуумной камере находится всего несколько сотен граммов вещества, а расчетный годовой запас горючего для промышленной электростанции составляет всего 250 кг.

Апрель 2014. Завершено строительство здания криостата, залиты стенки фундамента токамака 1,5-метровой толщины.

Зачем нам ITER?

Токамаки классической схемы, описанные выше, строились в США и Европе, России и Казахстане, Японии и Китае. С их помощью удалось доказать принципиальную возможность создания высокотемпературной плазмы. Однако постройка промышленного реактора, способного отдавать больше энергии, чем потреблять, — задача принципиально иного масштаба.

В классическом токамаке течение тока в плазме создается за счет изменения тока в индукторе, а этот процесс не может быть бесконечным. Таким образом, время существования плазмы ограничено, и реактор может работать только в импульсном режиме. На разжигание плазмы требуется колоссальная энергия — шутка ли, нагреть что-либо до температуры в 150 000 000 °C. А значит, необходимо добиться такого времени жизни плазмы, которое даст выработку энергии, окупающую розжиг.

Термоядерный реактор — это элегантная техническая концепция с минимумом негативных побочных эффектов. Течение тока в плазме само собой образует полоидальное магнитное поле, поддерживающее форму плазменного шнура, а образующиеся высокоэнергетические нейтроны в сочетании с литием вырабатывают драгоценный тритий.

К примеру, в 2009 году в ходе эксперимента на китайском токамаке EAST (части проекта ITER) удалось удержать плазму с температурой 10 7 К в течение 400 секунд и 10 8 К в течение 60 секунд.

Чтобы дольше удерживать плазму, необходимы дополнительные нагреватели нескольких видов. Все они будут испытаны на ITER. Первый способ — инжекция нейтральных атомов дейтерия — предполагает, что атомы будут поступать в плазму предварительно разогнанными до кинетической энергии в 1 МэВ с помощью дополнительного ускорителя.

Этот процесс изначально противоречив: ускорять можно только заряженные частицы (на них действует электромагнитное поле), а вводить в плазму — только нейтральные (в противном случае они повлияют на течение тока внутри плазменного шнура). Поэтому от атомов дейтерия предварительно отнимается электрон, и положительно заряженные ионы попадают в ускоритель. Затем частицы попадают в нейтрализатор, где восстанавливаются до нейтральных атомов, взаимодействуя с ионизированным газом, и вводятся в плазму. В настоящее время мегавольтный инжектор ITER разрабатывается в итальянской Падуе.

Второй метод нагрева имеет что-то общее с разогревом продуктов в микроволновке. Он предполагает воздействие на плазму электромагнитным излучением с частотой, соответствующей скорости движения частиц (циклотронной частотой). Для положительных ионов эта частота равняется 40−50 МГц, а для электронов — 170 ГГц. Для создания мощного излучения столь высокой частоты используется прибор под названием гиротрон. Девять из 24 гиротронов ITER производятся на предприятии Gycom в Нижнем Новгороде.

Классическая концепция токамака предполагает, что форма плазменного шнура поддерживается полоидальным магнитным полем, которое само собой образуется при течении тока в плазме. Для длительного удержания плазмы такой подход неприменим. В токамаке ITER предусмотрены специальные катушки полоидального поля, назначение которых — держать раскаленную плазму подальше от стенок реактора. Эти катушки относятся к самым массивным и сложным элементам конструкции.

Чтобы иметь возможность активно управлять формой плазмы, своевременно устраняя колебания по краям шнура, разработчики предусмотрели небольшие маломощные электромагнитные контуры, расположенные непосредственно в вакуумной камере, под обшивкой.

Топливная инфраструктура для термоядерного синтеза — это отдельная интересная тема. Дейтерий содержится практически в любой воде, и его запасы можно считать неограниченными. А вот мировые запасы трития исчисляются от силы десятками килограммов. 1 кг трития стоит порядка $30 млн. Для первых запусков ITER понадобится 3 кг трития. Для сравнения, около 2 кг трития в год необходимо для поддержания ядерного потенциала армии Соединенных Штатов.

Однако в перспективе реактор будет сам обеспечивать себя тритием. В процессе основной реакции синтеза образуются высокоэнергетические нейтроны, которые способны превращать ядра лития в тритий. Разработка и испытание первой стенки реактора, содержащей литий, — одна из важнейших целей ITER. В первых испытаниях будут использоваться бериллиево-медные обшивки, цель которых сводится к защите механизмов реактора от тепла. Согласно расчетам, даже если перевести всю энергетику планеты на токамаки, мировых запасов лития хватит на тысячу лет эксплуатации.

Подготовка 104-километрового «Пути ITER» обошлась Франции в 110 миллионов евро и четыре года работы. Дорога от порта Фос-Сюр-Мер до Кадараша была расширена и усилена, чтобы по ней можно было доставить на площадку самые тяжелые и габаритные детали токамака. На фото: транспортер с тестовым грузом массой 800 тонн.

С миру по токамаку

Для прецизионного управления термоядерным реактором необходимы точные диагностические инструменты. Одна из ключевых задач ITER — выбрать наиболее подходящие из пяти десятков инструментов, которые сегодня проходят испытания, и дать старт разработке новых.

Не менее девяти диагностических аппаратов будет разработано в России. Три — в московском Курчатовском институте, в их числе нейтронно-лучевой анализатор. Ускоритель посылает сквозь плазму сфокусированный поток нейтронов, который претерпевает спектральные изменения и улавливается приемной системой. Спектрометрия с частотой 250 измерений в секунду показывает температуру и плотность плазмы, силу электрического поля и скорость вращения частиц — параметры, необходимые для управления реактором с целью продолжительного удержания плазмы.

Три инструмента готовит Научно-исследовательский институт имени Иоффе, в том числе анализатор нейтральных частиц, который захватывает атомы из токамака и помогает контролировать концентрацию дейтерия и трития в реакторе. Оставшиеся аппараты будут сделаны в институте Тринити, где в настоящее время изготавливаются алмазные детекторы для вертикальной нейтронной камеры ITER. Во всех перечисленных институтах для испытаний используются собственные токамаки. А в тепловой камере НИИЭФА имени Ефремова проходят испытания фрагменты первой стенки и мишени дивертора будущего реактора ITER.

К сожалению, тот факт, что множество компонентов будущего мегареактора уже существует в металле, не обязательно означает, что реактор будет построен. За последнее десятилетие оценочная стоимость проекта выросла с 5 до 16 млрд евро, а плановый первый запуск перенесся с 2010 на 2020 год. Судьба ITER всецело зависит от реалий нашего настоящего, прежде всего экономических и политических. Между тем каждый ученый, занятый в проекте, искренне верит, что его успех способен до неузнаваемости изменить наше будущее.

Нужна ли термоядерная энергия?

На данном этапе развития цивилизации можно смело заявить, что перед человечеством стоит «энергетический вызов». Он обусловлен сразу несколькими фундаментальными факторами:

— Человечество сейчас потребляет огромное количество энергии .

В настоящее время потребление энергии в мире составляет около 15,7 тераватт (ТВт). Разделив эту величину на население планеты, мы получим примерно 2400 ватт на человека, что можно легко оценить и представить себе. Потребляемая каждым жителем Земли (включая детей) энергия соответствует круглосуточной работе 24-х 100-ваттных электрических ламп.

— Мировое потребление энергии быстро возрастает .

По прогнозу Международного агентства по энергетике (2006 год), мировое потребление энергии к 2030 году должно увеличиться на 50%.

— В настоящее время 80% потребляемой миром энергии создается за счет сжигания ископаемых природных топлив (нефть, уголь и газ ), использование которых потенциально несет опасность катастрофических экологических изменений.

У жителей Саудовской Аравии популярна следующая шутка: «Мой отец ездил на верблюде. Я обзавелся автомобилем, а мой сын уже управляет самолетом. Но вот его сын вновь пересядет на верблюда».

Похоже, что дела обстоят именно так, поскольку, 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 сохранении существующего уровня добычи и расхода. Между тем потребление угля сейчас возрастает на 4,5% в год, что сразу сокращает упомянутый период в 200 лет всего до 50 лет.

Таким образом, уже сейчас следует готовиться к окончанию эпохи использования ископаемых типов горючего.

К сожалению, существующие сейчас альтернативные источники энергии не в состоянии покрыть растущих потребностей человечества. По самым оптимистичным оценкам, максимальное количество энергии (в указанном тепловом эквиваленте), создаваемое перечисленными источниками, составляет всего 3 ТВт (ветер), 1 ТВт (гидростанции), 1 ТВт (биологические источники) и 100 ГВт (геотермальные и морские установки). Суммарное количество дополнительной энергии (даже в этом, самом оптимальном прогнозе) составляет лишь около 6 ТВт. При этом стоит отметить, что разработка новых источников энергии является очень сложной технической задачей, так что стоимость производимой ими энергии будет в любом случае выше, чем при привычном сжигании угля и т. п. 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 0,1% поверхности планеты, эквивалентно 3,8 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.

В настоящее время на атомных электростанциях в широких масштабах получают энергию, выделяющуюся при реакциях деления атомных ядер. Я полагаю, что следует всячески поощрять создание и развитие таких станций, однако при этом необходимо учитывать, что запасы одного из важнейших для их работы материала (дешевого урана) также могут быть полностью израсходованы в течение ближайших 50 лет.

Еще одним важным направлением развития является использование ядерного синтеза (слияния ядер), которое выступает сейчас в качестве основной надежды на спасение, хотя время создания первых термоядерных электростанций пока остается неопределенным. Именно этой теме посвящена данная лекция.

Что такое ядерный синтез?

Ядерный синтез, являющийся основой существования Солнца и звёзд, потенциально представляет собой неистощимый источник энергии для развития Вселенной вообще. Эксперименты, проводимые в России (Россия - родина термоядерной установки Токамак), США, Японии, Германии, а также 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.

Энергия ядерного синтеза является совершенно реальной, и основной вопрос состоит в том, сможем ли мы создать достаточно надежные и экономически выгодные термоядерные установки.

Процессами ядерного синтеза называют реакции слияния легких атомных ядер в более тяжелые с выделением некоторого количества энергии.

Прежде всего, среди них следует отметить реакцию между двумя изотопами (дейтерий и тритий) весьма распространенного на Земле водорода, в результате которой образуется гелий и выделяется нейтрон. Реакция может быть записана в следующем виде:

D + T = 4 He + n + энергия (17,6 MэВ).

Выделенная энергия, возникающая из-за того, что гелий-4 имеет очень сильные ядерные связи, переходит в обычную кинетическую энергию, распределяемую между нейтроном и ядром гелия-4 в пропорции 14,1 MэВ/3,5 MэВ.

Для инициирования (зажигания) реакции синтеза необходимо полностью ионизовать и нагреть газ из смеси дейтерия и трития до температуры выше 100 миллионов градусов по Цельсию (будем обозначать ее через M градусов), что примерно в пять раз выше температуры в центре Солнца. Уже при температуре несколько тысяч градусов межатомные столкновения приводят к выбиванию электронов из атомов, в результате чего формируется смесь из разделенных ядер и электронов, известная под названием плазмы, в которой положительно заряженные и высокоэнергичные дейтроны и тритоны (то есть ядра дейтерия и трития) испытывают сильное взаимное отталкивание. Тем не менее высокая температура плазмы (и связанная с этим высокая энергия ионов) позволяют этим ионам дейтерия и трития преодолевать кулоновское отталкивание и сталкиваться друг с другом. При температуре выше 100 M градусов наиболее «энергетические» дейтроны и тритоны сближаются при столкновениях на столь близкие расстояния, что между ними начинают действовать мощные ядерные силы, заставляющие их сливаться друг с другом в единое целое.

Осуществление этого процесса в лаборатории связано с тремя очень сложными проблемами. Прежде всего, газовую смесь ядер D и T следует нагреть до температур выше 100 M градусов, каким-то образом предотвращая его охлаждение и загрязнение (из-за реакций со стенками сосуда).

Для решения этой задачи были придуманы «магнитные ловушки», получившие название Токамак, которые предотвращают взаимодействие плазмы со стенками реактора.

В описываемом методе плазма нагревается электрическим током, протекающим внутри тора, примерно до 3 M градусов, что, однако, оказывается еще недостаточным для инициирования реакции. Для дополнительного нагрева плазмы в неё либо «вкачивают» энергию радиочастотным излучением (как в микроволновой печке), либо инжектируют пучки нейтральных частиц с высокой энергией, которые при столкновениях передают свою энергию плазме. Кроме того, выделение тепла происходит за счет, собственно, термоядерных реакций (как будет рассказано ниже), в результате чего в достаточно большой установке должно происходить «зажигание» плазмы.

В настоящее время во Франции начинается строительство описываемого ниже международного экспериментального термоядерного реактора ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), который будет первым Токамаком, способным «зажечь» плазму.

В наиболее передовых существующих установках типа Токамак давно достигнуты температуры порядка 150 M градусов, близкие к значениям, требуемым для работы термоядерной станции, однако реактор ITER должен стать первой крупномасштабной энергетической установкой, рассчитанной на длительную эксплуатацию. В дальнейшем необходимо будет существенно улучшить параметры её 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 возникают очень сложные и опасные неустойчивости, то есть нестабильные режимы работы.

Возникающие при реакции синтеза электрически заряженные ядра гелия удерживаются внутри «магнитной ловушки», где постепенно тормозятся за счет столкновений с другими частицами, причем выделяющаяся при столкновениях энергия помогает поддерживать высокую температуру плазменного шнура. Нейтральные (не имеющие электрического заряда) нейтроны покидают систему и передают свою энергию стенкам реактора, а отбираемое от стен тепло и является источником энергии для работы турбин, вырабатывающих электричество. Проблемы и сложности эксплуатации такой установки связаны, прежде всего, с тем, что мощный поток высокоэнергичных нейтронов и выделяющаяся энергия (в виде электромагнитного излучения и частиц плазмы) серьезно воздействуют на реактор и могут разрушить материалы, из которых он создан.

Из-за этого конструкция термоядерных установок является очень сложной. Перед физиками и инженерами стоит задача обеспечения высокой надежности их работы. Проектирование и строительство термоядерных станций требуют от них решения целого ряда разнообразных и очень сложных технологических задач.

Устройство термоядерной электростанции

На рисунке представлена принципиальная схема (без соблюдения масштаба) устройства и принципа работы термоядерной электростанции. В центральной части располагается тороидальная (в форме бублика) камера объемом ~ 2000 м 3 , заполненная тритий-дейтериевой (T-D) плазмой, нагретой до температуры выше 100 M градусов. Образующиеся при реакции синтеза нейтроны покидают «магнитную ловушку» и попадают в показанную на рисунке оболочку с толщиной около 1 м. 1

Внутри оболочки нейтроны сталкиваются с атомами лития, в результате чего происходит реакция с образованием трития:

нейтрон + литий = гелий + тритий.

Кроме того, в системе происходят и конкурирующие реакции (без образования трития), а также много реакций с выделением дополнительных нейтронов, которые затем также приводят к образованию трития (при этом выделение дополнительных нейтронов может быть существенно усилено, например, за счет введения в оболочку атомов бериллия и свинца). Общий вывод состоит в том, что в этой установке может (по крайней мере, теоретически) 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.

Нейтроны должны разогревать оболочку в так называемых пилотных установках (в которых будут использоваться относительно «обычные» конструкционные материалы) примерно до температуры 400 градусов. В дальнейшем предполагается создать усовершенствованные установки с температурой нагрева оболочки выше 1000 градусов, что может быть достигнуто за счет использования новейших высокопрочных материалов (типа композитов из карбида кремния). 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.

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 десять миллионов раз превышающего стандартное тепловыделение при обычных химических реакциях (типа сжигания ископаемого топлива). Для сравнения укажем, что количество угля, необходимого для обеспечения работы тепловой электростанции мощностью 1 гигаватт (ГВт), составляет 10 000 тонн в день (десять железнодорожных вагонов), а термоядерная установка такой же мощности будет потреблять в день лишь около 1 кг смеси D+T.

Дейтерий является устойчивым изотопом водорода; примерно в одной из каждых 3350 молекул обычной воды один из атомов водорода замещен дейтерием (наследие, доставшееся нам от Большого взрыва Вселенной). Этот факт позволяет легко организовать достаточно дешевое получение необходимого количества дейтерия из воды. Более сложным является получение трития, который является нестабильным (период полураспада около 12 лет, вследствие чего его содержание в природе ничтожно), однако, как было показано выше, тритий будет нарабатываться прямо внутри термоядерной установки в процессе работы за счет реакции нейтронов с литием.

Таким образом, исходным топливом для термоядерного реактора являются литий и вода.

Литий представляет собой обычный металл, широко используемый в бытовых приборах (в батарейках для мобильных телефонов, например). Описанная выше установка, даже с учетом неидеальной эффективности, сможет производить 200 000 кВт/час электрической энергии, что эквивалентно энергии, содержащейся в 70 тоннах 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. Сам факт, что столь ничтожное количество лития может обеспечить выработку такого количества электроэнергии (без выбросов CO 2 и без малейшего загрязнения атмосферы), является достаточно серьезным аргументом для быстрейшего и энергичного развития исследований по разработке термоядерной энергетики (несмотря на все сложности и проблемы) даже при долгосрочной перспективе создания экономически эффективного термоядерного реактора.

Дейтерия должно хватить на миллионы лет, а запасы легкодобываемого 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 CO 2 и без загрязнения атмосферы), но и обладает рядом других достоинств.

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.

В чем состоят связанные с термоядерной энергетикой опасности? Во-первых, стоит отметить, что хотя продукты синтеза (гелий и нейтроны) не являются радиоактивными, оболочка реактора при длительном нейтронном облучении может стать радиоактивной.

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.

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. «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.

Международный экспериментальный термоядерный реактор ITER

Основной следующий шаг состоит в построении реактора ITER, спроектированного с целью демонстрации самой возможности зажигания 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 её 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. 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. 2

На рисунке показан реактор ITER, превосходящий крупнейшую на сегодня установку JET не только по всем линейным размерам (примерно вдвое), но и по величине используемых в нем магнитных полей и протекающих через плазму токов.

Целью создания этого реактора является демонстрация возможностей объединенных усилий физиков и инженеров при конструировании крупномасштабной термоядерной электростанции.

Намеченная проектировщиками мощность установки 500 МВт (при затрате энергии на входе системы всего около 50 МВт). 3

Установка ITER создается консорциумом, в который входят ЕC, Китай, Индия, Япония, Южная Корея, Россия и США. 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 уже начато в местечке Кадараш (Франция). Запуск реактора запланирован на 2020 год, а получение дейтерий-тритиевой плазмы - на 2027 год, так как ввод реактора в действие требует длительных и серьезных испытаний для плазмы из дейтерия и трития.

Магнитные катушки реактора ITER созданы на основе сверхпроводящих материалов (что, в принципе, позволяет работать непрерывно при условии поддержания тока в плазме), так что проектировщики надеются обеспечить гарантированный рабочий цикл длительностью не менее 10 минут. Понятно, что наличие сверхпроводящих магнитных катушек является принципиально важным для непрерывной работы реальной термоядерной электростанции. Сверхпроводящие катушки уже применялись в устройствах типа Токамак, однако ранее они не использовались в столь крупномасштабных установках, рассчитанных на тритиевую плазму. Кроме этого, в установке ITER будут впервые использованы и испытаны разные модули оболочки, предназначенные для работы в реальных станциях, где могут генерироваться или «восстанавливаться» ядра трития.

Основной целью постройки установки является демонстрация успешного управления горением плазмы и возможности реального получения энергии в термоядерных устройствах при существующем уровне развития технологий.

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. Среди поставленных задач следует особо выделить три следующие:

1) Необходимо показать, что существующий уровень науки и техники уже позволяет получать 10-кратный выигрыш в энергии (по сравнению с затрачиваемой для поддержания процесса) при контролируемом процессе ядерного синтеза. Реакция должна протекать без возникновения опасных неустойчивых режимов, без перегрева и повреждения материалов конструкции и без загрязнения плазмы примесями. При мощностях термоядерной энергии порядка 50 % от мощности нагрева плазмы эти цели уже были достигнуты в экспериментах на небольших установках, однако создание реактора ITER позволит проверить надежность методов управления на гораздо более крупной установке, производящей гораздо больше энергии в течение длительного времени. Реактор ITER проектируется для проверки и согласования требований к будущему термоядерному реактору, и его создание является весьма сложной и интересной задачей.

2) Необходимо изучить методы повышения давления в плазме (напомним, что скорость реакции при заданной температуре пропорциональна квадрату давления) для предотвращения возникновения опасных неустойчивых режимов поведения плазмы. Успех исследований в этом направлении позволит либо обеспечить работу реактора при более высокой плотности плазмы, либо понизить требования к напряженности создаваемых магнитных полей, что существенно уменьшит стоимость производимой реактором электроэнергии.

3) Испытания должны подтвердить, что непрерывная работа реактора в устойчивом режиме может быть обеспечена реально (с экономической и технической точек зрения это требование представляется очень важным, если не основным), а запуск установки можно будет осуществлять без огромных затрат энергии. Исследователи и проектировщики очень надеются, что «непрерывное» течение электромагнитного тока по плазме может быть обеспечено его генерацией в плазме (за счёт высокочастотного излучения и инжекции быстрых атомов).

Современный мир стоит перед очень серьезным энергетическим вызовом, который более точно можно назвать «неопределенным энергетическим кризисом».

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 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.

Если никаких крупных и неожиданных сюрпризов на пути развития термоядерной энергетики не будет, то при соблюдении выработанной разумной и упорядоченной программы действий, которая (разумеется, при условии хорошей организации работ и достаточного их финансирования) должна привести к созданию прототипа термоядерной электростанции. В этом случае примерно через 30 лет мы сумеем впервые подать электрический ток от неё в энергетические сети, а еще через 10 с небольшим лет начнет работать первая коммерческая термоядерная электростанция. Возможно, что во второй половине нашего столетия энергия ядерного синтеза начнет заменять ископаемые топлива и постепенно станет играть все более важную роль в обеспечении человечества энергией в глобальном масштабе.

ITER (ИТЭР) − проект международного экспериментального термоядерного реактора. Задача ИТЭР заключается в демонстрации возможности коммерческого использования термоядерного реактора и решении физических и технологических проблем, которые могут встретиться на этом пути.
Проектирование реактора полностью закончено и выбрано место для его строительства − исследовательский центр Кадараш (фр. Cadarache) на юге Франции, в 60 км от Марселя. В настоящее время (по состоянию на март 2012 г. ) близятся к завершению работы по созданию железобетонного фундамента под реактор и возведению стен в котловане.

Стройку, стоимость которой первоначально оценивалась в 5 миллиардов евро , первоначально планировалось закончить в 2016 году, однако постепенно предполагаемая сумма расходов выросла вдвое, и затем срок начала экспериментов сдвинулся к 2020 году.
Первоначально название «ITER» было образовано как сокращение англ. International Thermonuclear Experimental Reactor, но в настоящее время оно официально не считается аббревиатурой, а связывается со словом лат. iter − путь.

Страны-участницы:

Страны ЕС (выступают как единое целое)
Индия
Китай
Республика Корея
Россия
Япония

Наибольшую роль в реализации российской доли обязанностей по проекту ИТЭР играют Курчатовский институт, госкорпорация Росатом, НИИ ЭФА им. Д. В. Ефремова, НИКИЭТ, Институт прикладной физики РАН, ТРИНИТИ, ФТИ им. А. Ф. Иоффе, ВНИИНМ, ВНИИКП, управляющая компания «Наука и инновации».

Строительство:

2010 г. − начало откопки котлована под фундамент.
2013 г. − начало строительства комплекса.
2014 г. − прибытие первых деталей.
2015 г. − начало сборки.
2019 г. − конец сборки.
2020 г. − начало экспериментов с плазмой.
2027 г. − эксперименты с дейтериево-тритиевой плазмой.

Подготовка площадки

Сооружения ITER будут располагаться в общей сложности на 180 га земли коммуны Сен-Поль-ле-Дюранс (Прованс-Альпы-Лазурный Берег, регион южной Франции), которая уже стала домом для французского ядерного научно-исследовательского центра СЕА (Commissariat à l"énergie atomique, Комиссариат атомной энергетики).

Наиболее важная часть ITER − сам токамак и все служебные помещения − будут располагаться на площадке в 1 км длиной и 400 м шириной. Предполагается, что строительство продлится до 2017 года. Основная работа на этом этапе выполняется под руководством французского агентства ITER, а в сущности CEA.

В целом сооружения ITER будут представлять собой 60-метровый колосс массой 23 тыс. тонн.

Технические данные

ITER относится к термоядерным реакторам типа «токамак» . Два ядра: дейтерия и трития сливаются, с образованием ядра гелия (альфа-частица) и высокоэнергетического нейтрона.

Проектные характеристики:

Общий радиус конструкции − 10,7 м
Высота − 30 м
Большой радиус плазмы − 6,2 м
Малый радиус плазмы − 2,0 м
Объём плазмы − 837 м 3
Магнитное поле − 5,3 Тл
Максимальный ток в плазменном шнуре − 15 МА
Мощность внешнего нагрева плазмы − 40 МВт
Термоядерная мощность − 500 МВт
Коэффициент усиления мощности − 10x
Средняя температура − 100 МК
Продолжительность импульса − 400 c

Радиационная безопасность

Термоядерный реактор намного безопасней ядерного реактора в радиационном отношении. Прежде всего, количество находящихся в нем радиоактивных веществ сравнительно невелико. Энергия, которая может выделиться в результате какой-либо аварии, тоже мала и не может привести к разрушению реактора. При этом в конструкции реактора есть несколько естественных барьеров, препятствующих распространению радиоактивных веществ. Например, вакуумная камера и оболочка криостата должны быть герметичными, иначе реактор просто не сможет работать. Тем не менее, при проектировании ITER большое внимание уделялось радиационной безопасности, как при нормальной эксплуатации, так и во время возможных аварий.

Есть несколько источников возможного радиоактивного загрязнения:

радиоактивный изотоп водорода − тритий;
наведённая радиоактивность в материалах установки в результате облучения нейтронами;
радиоактивная пыль, образующаяся в результате воздействия плазмы на первую стенку;
радиоактивные продукты коррозии, которые могут образовываться в системе охлаждения.

Для того, чтобы предотвратить распространение трития и пыли, если они выйдут за пределы вакуумной камеры и криостата, специальная система вентиляции будет поддерживать в здании реактора пониженное давление. Поэтому из здания не будет утечек воздуха, кроме как через фильтры вентиляции.

КАДАРАШ (Франция), 25 мая — РИА Новости, Виктория Иванова. Юг Франции обычно связывают с отдыхом на Лазурном побережье, лавандовыми полями и Каннским фестивалем, но не с наукой, хотя недалеко от Марселя уже несколько лет идет "стройка века" — рядом с исследовательским центром Кадараш возводят международный термоядерный экспериментальный реактор (ИТЭР).

Как продвигается самое масштабное в мире строительство единственной в своем роде установки и о том, какие люди строят "прообраз Солнца", способный вырабатывать 7 миллиардов киловатт-часов энергии в год, узнала корреспондент РИА Новости.

Изначально проект международного термоядерного экспериментального реактора получил название ITER, по аббревиатуре от International Thermonuclear Experimental Reactor. Однако потом у имени появилась и более красивая трактовка: название проекта объясняется переводом латинского слова iter — "путь", а от упоминания слова "реактор" некоторые страны стали осторожно отходить, чтобы не возбуждать в умах граждан ассоциации с опасностью и радиацией.

Новый реактор строят всем миром. На сегодняшний день в проекте участвуют Россия, Индия, Япония, Китай, Южная Корея и США, а также Евросоюз. Европейцы, выступающие единой группой, отвечают за выполнение 46% проекта, каждая из остальных стран-участниц взяла на себя по 9%.

Чтобы упростить систему взаиморасчетов, внутри организации придумали специальную валюту — расчетную единицу ИТЭР — IUA. Все соглашения о поставках комплектующих участниками ведутся именно в этих единицах. Так результат стройки стал независим от колебаний курсов нацвалют и стоимости производства деталей в каждой конкретной стране.

За эти инвестиции, выраженные не деньгами, а компонентами будущей установки, участники получают полный доступ ко всему спектру задействованных в ИТЭР технологий. Таким образом, во Франции сейчас строится "Международная школа по созданию термоядерного реактора".

"Самая горячая штучка Солнечной системы"

Журналисты, да и сами сотрудники ИТЭР, так часто сравнивают проект с Солнцем, что придумать другую ассоциацию термоядерной установке достаточно сложно. Глава одного из подразделений Международной организации ИТЭР — Марио Мерола — смог, назвав реактор "самой горячей штучкой нашей Солнечной системы".

"Температура внутри устройства будет около 150 миллионов градусов Цельсия, это в 10 раз выше температуры ядра Солнца. Магнитное поле установки будет примерно в 200 тысяч раз больше, чем у самой Земли", — рассказывает Марио о проекте.

В основе ИТЭР лежит система токамак — тороидальных камер с магнитными катушками. Идея магнитного удержания высокотемпературной плазмы была разработана и впервые в мире технологически реализована в Курчатовском институте в середине прошлого столетия. Россия, стоявшая у истоков проекта, среди прочих компонентов изготавливает одну из самых существенных частей установки, "сердце ИТЭР" — сверхпроводящую магнитную систему. Она состоит из различных типов сверхпроводников, содержащих десятки тысяч нитей со специальной наноструктурой.

Для создания столь масштабной системы требуются сотни тонн таких сверхпроводников. Их изготовлением занимаются шесть из семи стран-участниц. В их числе — и Россия, которая поставляет сверхпроводники на основе сплава ниобий-титан и ниобий-олово, оказавшиеся одними из лучших в мире. Производством этих материалов в России занимаются предприятия Росатома и Курчатовский институт.

Совместные трудности

Однако Россия и Китай, выполняющие свои обязательства в срок, невольно стали заложниками других участников проекта, которые не всегда успевают вовремя доделать свою часть работы. Специфика проекта ИТЭР — в плотном взаимодействии всех сторон, и потому отставание какой-то одной страны приводит к тому, что "буксовать" начинает весь проект.

Чтобы исправить ситуацию, новый руководитель организации ИТЭР Бернар Биго принял решение изменить временные рамки проекта. Новый вариант плана-графика — как ожидается, более реалистичный — будет представлен в ноябре.

Вместе с тем, Биго не исключил и перераспределения работ между участниками.

"Я был бы рад, если бы задержек не было совсем. Но должен признаться, что в некоторых областях реализация нашего глобального проекта встретила трудности. Я открыт для любых решений, кроме сокращения мощностей ИТЭР. В том, чтобы перераспределить работы, я не вижу ничего плохого, но этот вопрос надо серьезно обсуждать", — заявил генеральный директор организации.

Биго отметил, что работа по созданию ИТЭР ведется сотнями компаний и организаций из семи стран-участниц. "Нельзя просто щелкнуть пальцами и выполнить план. Все думали, что будет просто соблюдать поставленные сроки благодаря добросовестности и добрым намерениям. Теперь поняли, что без строгого менеджмента ничего не выйдет", — подчеркнул Биго.

По его словам, трудности при строительстве ИТЭР вызывает и разница в культурах стран-участниц, и то, что ранее в мире подобных проектов не было, поэтому многие механизмы и установки, производящиеся впервые, требуют дополнительных испытаний и освидетельствования у регуляторов, что отнимает дополнительное время.

Одной из мер предложенного Биго "строгого менеджмента" станет создание еще одного органа управления, в который войдут директора национальных агентств и генеральный директор. Решения этого органа будут носить обязательный характер для всех участников проекта — Биго надеется, что это позволит подстегнуть процесс взаимодействия.

"Стройка века"

Пока же на территории ИТЭР вовсю идет огромная стройка. "Сердце" объекта — сам токамак и служебные помещения — займет площадку размером километр на 400 метров.

Для реактора вырыли котлован глубиной в 20 метров, на дно которого по зеркально гладкому асфальту привозят арматуру и другие необходимые на этом этапе составляющие. Сначала сегменты стен собирают горизонтально, соединяя металлические конструкции со специальными пластинами. Потом при помощи четырех строительных кранов их, наконец, ставят в нужное положение.

Пройдет несколько лет, и площадку будет не узнать. Вместо огромной дыры в платформе над ней поднимется колосс размером примерно с Большой театр — около 40 метров в высоту.

Где-то на площадке стройка еще не началась — и из-за этого другие страны не могут точно рассчитать срок поставки комплектующих термоядерного реактора, а где-то — уже завершилась. В частности, к эксплуатации готова штаб-квартира ИТЭР, здание намотки полоидальных катушек магнитной системы, энергетическая подстанция, еще несколько вспомогательных построек.

"Счастье — в непрерывном познании неизвестного"

В то время, когда научная работа не везде пользуется популярностью и уважением, ИТЭР объединил на своей платформе 500 ученых, инженеров и представителей многих других специальностей из разных стран. Эти специалисты — настоящие мечтатели и преданные своему делу люди, — точно как у Стругацких "приняли рабочую гипотезу, что счастье — в непрерывном познании неизвестного и смысл жизни в том же".

А вот условия жизни для сотрудников проекта в корне отличаются от тех, что были в НИИЧАВО — Научно-исследовательском институте чародейства и волшебства, — где трудились герои повести советских фантастов "Понедельник начинается в субботу". Общежития для иностранцев на территории ИТЭР нет — все они снимают жилье в деревнях и поселках неподалеку.

Внутри одного из уже построенных зданий, помимо рабочих помещений, располагается огромных размеров столовая, где за весьма скромную сумму сотрудники проекта могут перекусить или плотно пообедать. В меню всегда найдутся блюда национальных кухонь, будь-то японская лапша или итальянский минестроне.

При входе в столовую висит доска объявлений. На ней — предложения совместной аренды квартир и "занятия французским языком, качественно и недорого". Выделяется белый листок — "Хор Кадараша проводит набор участников. Приходите в главное здание ИТЭР". Помимо хора, формирование которого пока не завершилось, сотрудники проекта организовали и свой собственный оркестр. На саксофоне в нем играет и россиянин Евгений Вещев, который работает в Кадараше уже несколько лет.

Дорога к солнцу

"Как мы тут живем? Работаем, репетируем, играем. Иногда ездим на море и в горы, тут недалеко, — рассказывает Евгений, — По России, конечно, скучаю, болею за нее. Но это уже не первая моя длительная зарубежная командировка, попривык".

Евгений — физик, и на проекте занимается интеграцией диагностических систем.

"Со студенческих времен я был вдохновлен проектом ИТЭР, возможностями и перспективами лежащими впереди, было ощущение, что за этим лежит будущее. Однако мой путь сюда был тернистым, впрочем, как и у многих. После окончания учебы было не очень хорошо с деньгами, я даже подумывал уходить из науки в бизнес, открыть что-то свое. Но уехал в командировку, потом в другую. Так, через десять лет после того, как впервые услышал об ИТЭР, я и оказался во Франции, на проекте", — говорит физик.

По словам российского ученого, "история попадания в проект у каждого сотрудника своя". Какими бы ни были "дороги к Солнцу" у его адептов, даже после самого краткого разговора с любым из них становится понятно — здесь работают фанаты своего дела.

Вот, например, американец Марк Хэндерсон — специалист по нагреву плазмы на ИТЭР. На встречу он — коротко стриженый, сухой, в очках — пришел "в образе" одного из основателей компании Apple Стива Джобса. Черная рубашка, выгоревшие джинсы, кроссовки. Оказалось, что внешним сходством своеобразная близость Хэндерсона и Джобса не ограничивается: оба они — мечтатели, вдохновленные идеей изменить мир своим изобретением.

"Мы, человечество, все больше зависим от ресурсов и только и делаем, что потребляем их. Неужели наш коллективный разум эквивалентен коллективному разуму миски дрожжей? Нам нужно думать о следующих поколениях. Нам нужно начать мечтать вновь", — убежден Хэндерсон.

И они думают, мечтают, воплощают в жизнь самые невероятные и фантастические идеи. И никакие вопросы внешнеполитической повестки дня не могут выступить помехой для труда ученых: разногласия рано или поздно закончатся, а тепло, полученное в результате термоядерной реакции, будет греть всех, вне зависимости от континента и государства.

10:14 am - Международный экспериментальный термоядерный реактор ITER

Строительная площадка термоядерного реактора ITER в октябре 2016 года. Сам реактор будет там в центре, где круг с краном.

Итак, это первый пост с записью и коротким описанием того что мы обсуждали в моей рубрике на Серебряном дожде . Темой вчерашнего выпуска стала термоядерная энергетика и самая дорогая научная установка в мире - ITER.

Итак, что такое ITER?
ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) - международный экспериментальный термоядерный реактор. Он строится усилиями десятков стран во французском ядерном центре Кадараш. Планирование его началось еще в 1980-е, проект разрабатывался с 1992 по 2007, строительство началось в 2009 году. Первую плазму рассчитывают получить в 2025 году, а окончательное завершение и выход на максимальные запланированные параметры работы согласно проекту будет в районе 2035 года. Почему это важно и интересно? Во-первых, ITER – это самая дорогая и сложная научная и экспериментальная установка в мире. Его стоимость оценивается уже более чем в 20 млрд. евро. Большой адронный коллайдер, для сравнения, обощёлся в 6 млрд. евро и строился 7 лет. Во-вторых, ITER - это самое главное, что делается сейчас на пути освоения термоядерной энергии, которая потенциально может решить все энергетические проблемы человечества в будущем. Задача установки - демонстрация возможности управляемого термоядерного синтеза с мощностями промышленного масштаба и накопление опыта для строительства первой термоядерной электростанции. Так что сам ITER еще вырабатывать электричество не будет.

В термоядерном реакторе, в отличие от обычного атомного реактора, используется не реакция деления тяжелых ядер урана или плутония, а реакция синтеза легких ядер гелия из изотопов водорода - дейтерия и трития. Похожая реакция синтеза идет и на Солнце, так что "альтернативная" солнечная и ветровая энергетика - это в некотором роде косвенное использование термоядерной энергии нашей звезды.

В то же время создать управляемую термоядерную реакцию синтеза очень сложно. Неуправляемую термоядерную реакцию на земле производить научились - в виде водородных термоядерных бомб, самых мощных из созданных человеком. А вот в мирных целях ее пока использовать не могут. Сложностей тут несколько. Во-первых, для реакции синтеза нужна высокая температура. Она необходима чтобы разогнать и столкнуть два легких ядра с одинаковым положительным зарядом, которые при меньших скоростях просто будут отталкиваться. Поэтому температура Солнца достигает 15 млн градусов, а в реакторе ITER будет и того больше - 150 млн. градусов.

Вещество при такой температуре существует лишь в форме плазмы – четвертого агрегатного состояния вещества после твердого, жидкого и газообразного, где уже нет атомов, а есть лишь отдельные заряженные частицы - ядра, протоны и электроны. Поэтому вторая сложность термоядерной установки – удержание этой плазмы внутри реактора. Ни один материал не выдержит контакта с этой плазмой, поэтому удерживать ее придется не веществом, а магнитным полем. Если придать полю замкнутую форму, то заряженные частицы будут находиться внутри него. Однако создать сферическое замкнутое магнитное поле даже теоретически невозможно (в силу теоремы о причесывании ежа), поэтому для удержания плазмы была предложена форма поля в виде тора. Бублика, проще говоря. И придумали, и реализовали ее впервые советские ученые. Поэтому название такой конструкции - Токамак (Тороидальная камера с магнитными катушками), вошло мир науки из русского языка. ITER будет самым большим и мощным токамаком в мире, хотя их на планете уже более 300.

Ну и еще одна сложность - для создания необходимого магнитного поля нужны огромные сверхпроводящие магниты, охлаждаемые жидким гелием до температур ниже -270 градусов Цельсия. Так что получается, что токамак - это устройство, где в полном вакууме (поскольку кроме топлива, дейтерия и трития, никакие примеси газов внутри не допускаются) внутри катушек с минусовой температурой будет происходить реакция при температуре 150 млн градусов. Такой вот тепловой бутерброд. Точнее бублик.

Размеры и сложность установки можно оценить по этой схеме

А вот какого размера в реальности те кольца магнита, из которых будет собрана показанная на схеме выше камера токамака. Больше захватывающих фото .

Подробнее о физике токамака и его устройстве на пальцах рассказано вот .

В одиночку такой проект было бы сложно потянуть даже самым развитым странам. Из-за сложности установки пришлось объединять знания и опыт всех стран, занимающихся исследованиями термоядерного синтеза. В проекте ITER участвует объединенный Евросоюз, США, Россия, Япония, Южная Корея, Китай, Индия. Позже к нему присоединились Казахстан, а недавно даже Иран. Кто-то вкладывается в проект деньгами, а кто-то в форме постройки оборудования. Россия, например, строит многие важные компоненты, как указано на рисунке ниже. А подробнее об участии России можно почитать на сайте российского проектного центра ITER .

Части конструкции ITER, которые делаются в России. Их стоимость - несколько миллиардов евро.

Объединение усилий выгодно всем – вкладывая свою часть, страны затем получают доступ ко всей полученной на экспериментальной установке информации. Термоядерная энергетика действительно может стать достоянием всего человечества. Другая возможная причина того что проект реализуется в виде международной кооперации – разделение рисков. До появления коммерческих установок еще очень далеко (сам ITER даже еще не будет вырабатывать энергию, после него это будет делать следующий реактор DEMO), это все понимают, а тянуть в одиночку такой дорогостоящий эксперимент накладно. Страны грубо говоря вкладываются в далекое будущее и сохраняют научный потенциал в области термоядерной энергетики, но при этом разделяют риски того, что продукт появится нескоро и не в том виде, в котором его можно будет применять.

Хоть я и занимался изучением ядерной энергетики, но термоядерный реактор - это настолько отдельная и далекая от традиционных АЭС тема, что лишь сейчас я достаточно глубоко в нее погрузился. Сейчас мне кажется, что технически проблема мирного использования управляемой термоядерной энергии будет решена. Вот только насколько она будет востребована к моменту создания и когда именно это произойдет пока сказать сложно.

Разделы