Термоядерная электростанция.

В настоящее время ученые работают над созданием а Термоядерной электростанции, преимуществом которых является обеспечение человечества электроэнергией на неограниченное время. Термоядерная электростанция работает на основе термоядерного синтеза — реакции синтеза тяжелых изотопов водорода с образованием гелия и выделением энергии. Реакция термоядерного синтеза не дает газообразных и жидких радиоактивных отходов, не нарабатывает плутоний, который используется для производства ядерного оружия. Если еще учесть, что горючим для термоядерных станций будет тяжелый изотоп водорода дейтерий, который получают из простой воды — в полулитре воды заключена энергия синтеза, эквивалентная той, что получится при сжигании бочки бензина, — то преимущества электростанций, основанных на термоядерной реакции, становятся очевидными.

В ходе термоядерной реакции энергия выделяется при соединении легких атомов и превращении их в более тяжелые. Чтобы этого добиться, необходимо разогреть газ до температуры свыше 100 миллионов градусов - намного выше температуры в центре Солнца.

Газ при такой температуре превращается в плазму. Атомы изотопов водорода при этом сливаются, превращаясь в атомы гелия и нейтроны и выделяя большое количество энергии. Коммерческая электростанция, работающая на этом принципе, использовала бы энергию нейтронов, замедляемых слоем плотного вещества (лития).

По сравнению с атомной электростанцией термоядерный реактор будет оставлять после себя гораздо менее радиоактивные отходы.

Интернациональный термоядерный реактор ИТЭР

Участники международного консорциума по созданию первого в мире термоядерного реактора ИТЕР подписали в Брюсселе соглашение, дающее старт практической реализации проекта.

Представители Европейского союза, США, Японии, Китая, Южной Кореи и России намерены начать строительство экспериментального реактора в 2007 году и закончить его в течение восьми лет. Если все пройдет согласно плану, то к 2040 году может быть построена демонстрационная электростанция, работающая по новому принципу.

Хочется верить, что эра экологически опасных ГЭС и АЭС скоро закончится, и наступит время новой электростанции — термоядерной, проект которой уже осуществляется. Но, несмотря на то, что проект ИТЭР (Интернациональный термоядерный реактор) уже почти готов; несмотря на то, что уже на первых действующих экспериментальных термоядерных реакторах получена мощность, превышающая 10 МВт — уровень первых атомных электростанций, первая термоядерная электростанция заработает не ранее, чем лет через двадцать, потому что ее стоимость очень велика. Стоимость работ оценивается в 10 млрд. евро - это самый дорогой международный проект электростанции. Половину затрат по возведению реактора берет на себя Евросоюз. Другие участники консорциума выделят по 10% сметы.

Теперь план возведения реактора, которое станет самым дорогим совместным научным проектом после, должны ратифицировать парламентарии стран-участниц консорциума.

Реактор будет построен в южной французской провинции Прованс, в окрестностях города Кадараш, где находится французский центр ядерных исследований.

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.

© Фото: предоставлено ITER Organization

© Фото: предоставлено ITER Organization

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.

© Фото

"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.

Сегодня многие страны принимают участие в термоядерных исследованиях. Лидерами являются Европейский союз, США, Россия и Япония, а программы Китая, Бразилии, Канады и Кореи стремительно наращиваются. Первоначально термоядерные реакторы в США и СССР были связаны с разработкой ядерного оружия и оставались засекреченными до конференции «Атомы для мира», которая состоялась в Женеве в 1958 году. После создания советского токамака исследования ядерного синтеза в 1970 годы стали «большой наукой». Но стоимость и сложность устройств увеличивалась до точки, когда международное сотрудничество стало единственной возможностью продвигаться вперед.

Термоядерные реакторы в мире

Начиная с 1970 годов, начало коммерческого использования энергии синтеза постоянно отодвигалось на 40 лет. Однако в последние годы произошло многое, благодаря чему этот срок может быть сокращен.

Построено несколько токамаков, в том числе европейский JET, британский MAST и экспериментальный термоядерный реактор TFTR в Принстоне, США. Международный проект ITER в настоящее время находится в стадии строительства в Кадараше, Франция. Он станет самым крупным токамаком, когда заработает в 2020 годах. В 2030 г. в Китае будет построен CFETR, который превзойдет ITER. Тем временем КНР проводит исследования на экспериментальном сверхпроводящем токамаке EAST.

Термоядерные реакторы другого типа - стеллаторы - также популярны у исследователей. Один из крупнейших, LHD, начал работу в японском Национальном институте в 1998 году. Он используется для поиска наилучшей магнитной конфигурации удержания плазмы. Немецкий Институт Макса Планка в период с 1988 по 2002 год проводил исследования на реакторе Wendelstein 7-AS в Гархинге, а в настоящее время - на Wendelstein 7-X, строительство которого длилось более 19 лет. Другой стелларатор TJII эксплуатируется в Мадриде, Испания. В США Принстонская лаборатория (PPPL), где был построен первый термоядерный реактор данного типа в 1951 году, в 2008 году остановила строительство NCSX из-за перерасхода средств и отсутствия финансирования.

Кроме того, достигнуты значительные успехи в исследованиях инерциального термоядерного синтеза. Строительство National Ignition Facility (NIF) стоимостью 7 млрд $ в Ливерморской национальной лаборатории (LLNL), финансируемое Национальной администрацией по ядерной безопасности, было завершено в марте 2009 г. Французский Laser Mégajoule (LMJ) начал работу в октябре 2014 года. Термоядерные реакторы используют доставленные лазерами в течение нескольких миллиардных долей секунды около 2 млн джоулей световой энергии в цель размером в несколько миллиметров для запуска реакции ядерного синтеза. Основной задачей NIF и LMJ являются исследования по поддержке национальных военных ядерных программ.

ITER

В 1985 г. Советский Союз предложил построить токамак следующего поколения совместно с Европой, Японией и США. Работа велась под эгидой МАГАТЭ. В период с 1988 по 1990 год были созданы первые проекты Международного термоядерного экспериментального реактора ITER, что также означает «путь» или «путешествие» на латыни, с целью доказать, что синтез может вырабатывать больше энергии, чем поглощать. Канада и Казахстан также приняли участие при посредничестве Евратома и России соответственно.

Через 6 лет совет ITER одобрил первый комплексный проект реактора на основе устоявшейся физики и технологии стоимостью 6 млрд $. Тогда США вышли из консорциума, что вынудило вдвое сократить затраты и изменить проект. Результатом стал ITER-FEAT стоимостью 3 млрд долл., но позволяющий достичь самоподдерживающей реакции и положительного баланса мощности.

В 2003 г. США вновь присоединились к консорциуму, а Китай объявил о своем желании в нем участвовать. В результате в середине 2005 года партнеры договорились о строительстве ITER в Кадараше на юге Франции. ЕС и Франция вносили половину от 12,8 млрд евро, а Япония, Китай, Южная Корея, США и Россия - по 10% каждый. Япония предоставляла высокотехнологичные компоненты, содержала установку IFMIF стоимостью 1 млрд евро, предназначенную для испытания материалов, и имела право на возведение следующего тестового реактора. Общая стоимость ITER включает половину затрат на 10-летнее строительство и половину - на 20 лет эксплуатации. Индия стала седьмым членом ИТЭР в конце 2005 г.

Эксперименты должны начаться в 2018 г. с использованием водорода, чтобы избежать активации магнитов. Использование D-T плазмы не ожидается ранее 2026 г.

Цель ITER - выработать 500 МВт (хотя бы в течение 400 с), используя менее 50 МВт входной мощности без генерации электроэнергии.

Двухгигаваттная демонстрационная электростанция Demo будет производить крупномасштабное на постоянной основе. Концептуальный дизайн Demo будет завершен к 2017 году, а его строительство начнется в 2024 году. Пуск состоится в 2033 году.

JET

В 1978 г. ЕС (Евратом, Швеция и Швейцария) начали совместный европейский проект JET в Великобритании. JET сегодня является крупнейшим работающим токамаком в мире. Подобный реактор JT-60 работает в японском Национальном институте термоядерного синтеза, но только JET может использовать дейтерий-тритиевое топливо.

Реактор был запущен в 1983 году, и стал первым экспериментом, в результате которого в ноябре 1991 года был проведен управляемый термоядерный синтез мощностью до 16 МВт в течение одной секунды и 5 МВт стабильной мощности на дейтерий-тритиевой плазме. Было проведено множество экспериментов с целью изучения различных схем нагрева и других техник.

Дальнейшие усовершенствования JET касаются повышения его мощности. Компактный реактор MAST разрабатывается вместе с JET и является частью проекта ITER.

K-STAR

K-STAR - корейский сверхпроводящий токамак Национального института термоядерных исследований (NFRI) в Тэджоне, который произвел свою первую плазму в середине 2008 года. ITER, являющийся результатом международного сотрудничества. Токамак радиусом 1,8 м - первый реактор, использующий сверхпроводящие магниты Nb3Sn, такие же, которые планируется использовать в ITER. В ходе первого этапа, завершившегося к 2012 году, K-STAR должен был доказать жизнеспособность базовых технологий и достигнуть плазменных импульсов длительностью до 20 с. На втором этапе (2013-2017) проводится его модернизация для изучения длинных импульсов до 300 с в режиме H и перехода к высокопроизводительному AT-режиму. Целью третьей фазы (2018-2023) является достижение высокой производительности и эффективности в режиме длительных импульсов. На 4 этапе (2023-2025) будут испытываться технологии DEMO. Устройство не способно работать с тритием и D-T топливо не использует.

K-DEMO

Разработанный в сотрудничестве с Принстонской лабораторией физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США и южно-корейским институтом NFRI, K-DEMO должен стать следующим шагом на пути создания коммерческих реакторов после ITER, и будет первой электростанцией, способной генерировать мощность в электрическую сеть, а именно 1 млн кВт в течение нескольких недель. Его диаметр составит 6,65 м, и он будет иметь модуль зоны воспроизводства, создаваемый в рамках проекта DEMO. Министерство образования, науки и технологий Кореи планирует инвестировать в него около триллиона корейских вон (941 млн $).

EAST

Китайский экспериментальный усовершенствованный сверхпроводящий токамак (EAST) в Институте физики Китая в Хефее создал водородную плазму температурой 50 млн °C и удерживал ее в течение 102 с.

TFTR

В американской лаборатории PPPL экспериментальный термоядерный реактор TFTR работал с 1982 по 1997 годы. В декабре 1993 г. TFTR стал первым магнитным токамаком, на котором производились обширные эксперименты с плазмой из дейтерий-трития. В следующем году реактор произвел рекордные в то время 10,7 МВт управляемой мощности, а в 1995 году был достигнут рекорд температуры в 510 млн °C. Однако установка не достигла цели безубыточности энергии термоядерного синтеза, но с успехом выполнила цели проектирования аппаратных средств, сделав значительный вклад в развитие ITER.

LHD

LHD в японском Национальном институте термоядерного синтеза в Токи, префектура Гифу, был самым большим стелларатором в мире. Запуск термоядерного реактора состоялся в 1998 г., и он продемонстрировал качества удержания плазмы, сравнимые с другими крупными установками. Была достигнута температура ионов 13,5 кэВ (около 160 млн °C) и энергия 1,44 МДж.

Wendelstein 7-X

После года испытаний, начавшихся в конце 2015 года, температура гелия на короткое время достигла 1 млн °C. В 2016 г. термоядерный реактор с водородной плазмой, используя 2 МВт мощности, достиг температуры 80 млн °C в течение четверти секунды. W7-X является крупнейшим стелларатором в мире и планируется его непрерывная работа в течение 30 минут. Стоимость реактора составила 1 млрд €.

NIF

National Ignition Facility (NIF) в Ливерморской национальной лаборатории (LLNL) был завершен в марте 2009 года. Используя свои 192 лазерных лучей, NIF способен сконцентрировать в 60 раз больше энергии, чем любая предыдущая лазерная система.

Холодный ядерный синтез

В марте 1989 года два исследователя, американец Стенли Понс и британец Мартин Флейшман, заявили, что они запустили простой настольный холодный термоядерный реактор, работающий при комнатной температуре. Процесс заключался в электролизе тяжелой воды с использованием палладиевых электродов, на которых ядра дейтерия концентрировались с высокой плотностью. Исследователи утверждают, что производилось тепло, которое можно было объяснить только с точки зрения ядерных процессов, а также имелись побочные продукты синтеза, включая гелий, тритий и нейтроны. Однако другим экспериментаторам не удалось повторить этот опыт. Большая часть научного сообщества не считает, что холодные термоядерные реакторы реальны.

Низкоэнергетические ядерные реакции

Инициированные претензиями на «холодный термоядерный синтез», исследования продолжились в области низкоэнергетических имеющих некоторую эмпирическую поддержку, но не общепринятое научное объяснение. По-видимому, для создания и захвата нейтронов используются слабые ядерные взаимодействия (а не мощная сила, как при или их синтезе). Эксперименты включают проникновение водорода или дейтерия через каталитический слой и реакцию с металлом. Исследователи сообщают о наблюдаемом высвобождении энергии. Основным практическим примером является взаимодействие водорода с порошком никеля с выделением тепла, количество которого больше, чем может дать любая химическая реакция.

Проект международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР стартовал в 2007-м году. Расположен он в Кадараше, на юге Франции. Главная задача ИТЭР заключается, по мысли тех, кто проект задумывал и воплощает, в показе возможностей коммерческого использования термоядерного синтеза.

ИТЭР – стратегическая международная научная инициатива, в ее реализации участвуют более 30 стран.

“Мы находимся в самом сердце будущего термоядерного реактора. Его вес – три Эйфелевых башни, а общая площадь составит 60 футбольный полей”, – сообщает журналист euronews Клаудио Рокко.

Термоядерный реактор или тороидальная установка для магнитного удержания плазмы, иначе называемая токомаком, создается с целью достижения условий, необходимых для протекания управляемого термоядерного синтеза. Плазма в токамаке удерживается не стенками камеры, а специально создаваемым комбинированным магнитным полем - тороидальным внешним и полоидальным полем тока, протекающего по плазменному шнуру. По сравнению с другими установками, использующими магнитное поле для удержания плазмы, использование электрического тока является главной особенностью токамака

При осуществлении управляемого термоядерного синтеза, в токамаке будут применяться дейтерий и тритий.
Подробности – в интервью генерального директора ИТЭР Бернара Биго.

В чем заключается преимущество энергии, произведенной с помощью управляемого термоядерного синтеза?

“В первую очередь в использовании изотопов водорода, который, в свою очередь, считается практически неисчерпаемым источником: водород встречается везде, в том числе и в Мировом океане. Так что пока на Земле будет вода, морская и пресная, мы будем обеспечены топливом для токамака – речь идет о миллионах лет. Второе преимущество – радиоактивные отходы имеют довольно короткий период полураспада: несколько сотен лет, по сравнению с тем, что есть у продуктов отхода ядерного синтеза”.

Термоядерный синтез носит управляемый характер, и его, как утверждает Бернар Биго, сравнительно просто прервать, если происходит авария. Иная ситуация в аналогичном случае складывается с ядерным синтезом.

Нагревая вещество, можно достичь ядерной реакции. Именно эту взаимосвязь нагревания вещества и ядерной реакции и отражает термин «термоядерная реакция».

Конструкция компонентов токамака осуществляется усилиями стран-участниц ИТЭР, а детали и технологические узлы токамака производятся в Японии, Южной Корее, России, Китае, США и других странах. При строительстве токамака учитывается вероятность разных типов аварий.

Бернар Биго: “Тем не менее, возможна утечка радиоактивных элементов. Какой-то отсек окажется недостаточно герметичным. Но количество их будет минимально, и для тех, кто проживает вблизи реактора, опасности ни для здоровья, ни для жизни большой не будет”.

Но возможность аварии и утечки предусмотрена в проекте, в частности, помещения, в которых идет термоядерный синтез и прилегающие к ним залы, будут оборудованы особыми вентиляционными шахтами, в которые будут засасываться радиоактивные элементы, с тем, чтобы не допустить их выхода наружу.

“Я не думаю, что смета, составляющая около 16 миллиардов евро, выглядит такой уж гигантской, особенно, если учитывать себестоимость энергии, которая будет тут производиться. Более того, производиться долго, очень долго, поэтому все затраты себя оправдают даже в среднесрочной перспективе”, – заключает Бернар Биго.

Российский НИИЭФА не так давно сообщил об успешном испытании натурного прототипа гасящего резистора системы защиты сверхпроводящих катушек, которые были сконструированы специально для ИТЭР.

А ввод в строй всего комплекса ИТЭР во французском Кадараше планируется на 2020-ый год.

ИТЭР — международный термоядерный реактор (ITER)

Потребление энергии человечеством растет с каждым годом, что подталкивает сферу энергетики к активному развитию. Так с возникновением атомных станций количество вырабатываемой энергии по всему миру значительно возросло, что позволило благополучно расходовать энергию на все потребности человечества. К примеру, 72,3 % от вырабатываемой электроэнергии во Франции приходится на атомные станции, в Украине — 52,3 %, в Швеции — 40,0 %, в Великобритании — 20,4 %, в России — 17,1 %. Однако, технологии не стоят на месте, и чтобы угодить дальнейшим энергетическим потребностям стран будущего, ученые работают над рядом инновационных проектов, одним из которых является ИТЭР — международный термоядерный реактор (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor).

Хотя рентабельность данной установки еще находится под вопросом, согласно работам многих исследователей – создание и последующее развитие технологии управляемого термоядерного синтеза может в результате дать мощный и безопасный источник энергии. Рассмотрим некоторые положительные стороны подобной установки:

• Основным топливом термоядерного реактора является водород, а это означает – практически неисчерпаемые запасы ядерного топлива.
• Добыча водорода может происходить посредством переработки морской воды, которая доступна большинству стран. Из этого следует невозможность возникновения монополии топливных ресурсов.
• Вероятность аварийного взрыва в процессе работы термоядерного реактора значительно меньше, чем в процессе работы ядерного реактора. Согласно оценкам исследователей, даже в случае аварии выбросы радиации не будут представлять опасности для населения, а значит отпадает и надобность в эвакуации.
• В отличие от ядерных реакторов, термоядерные реакторы вырабатывают радиоактивные отходы, которые имеют короткий период полураспада, то есть быстрее распадаются. Также в термоядерных реакторах отсутствуют продукты сгорания.
• Для работы термоядерного реактора не требуются материалы, которые используются также для ядерного оружия. Это позволяет исключить возможность прикрытия производства ядерного оружия путем оформления материалов для нужд ядерного реактора.

Термоядерный реактор — вид изнутри

Однако, существует также ряд технических недоработок, с которыми постоянно сталкиваются исследователи.

Например, нынешний вариант топлива, представленный в виде смеси дейтерия и трития, требует разработки новых технологий. Например, по окончанию первой серии тестов на крупнейшем на сегодняшней день термоядерном реакторе ДЖЕТ, реактор стал настолько радиоактивным, что далее потребовалась разработка специальной роботизированной системы обслуживания для завершения эксперимента. Другим неутешительным фактором работы термоядерного реактора является его КПД – 20%, в то время как КПД АЭС – 33-34%, а ТЭС — 40%.

Создание проекта ИТЭР и запуск реактора

Проект ITER берет свое начало в 1985-м году, когда Советский Союз предложил совместное создание токамака — тороидальной камеры с магнитными катушками, которая способно удерживать плазму при помощи магнитов, тем самым создавая условия, требуемые для протекания реакции термоядерного синтеза. В 1992-м году было подписано четырехстороннее соглашение о разработке ИТЕР, сторонами которого выступили ЕС, США, Россия и Япония. В 1994-м году к проекту присоединилась Республика Казахстан, в 2001-м – Канада, в 2003-м – Южная Корея и Китай, в 2005-м — Индия. В 2005-м году было определено место для постройки реактора – исследовательский центр ядерной энергетики Кадараш, Франция.

Строительство реактора началось с подготовки котлована для фундамента. Так параметры котлована составили 130 х 90 х 17 метров. Весь комплекс с токамаком будет весить 360 000 тонн, из которых 23 000 тонн приходится на сам токамак.

Различные элементы комплекса ИТЕР будут разрабатываться и доставляться на место строительства со всех уголков мира. Так в 2016-м году в России была разработана часть проводников для полоидальных катушек, которые далее отправились в Китай, который будет производить сами катушки.

Очевидно, столь масштабную работу совсем непросто организовать, ряд стран неоднократно не поспевали за поставленным графиком проекта, в результате чего запуск реактора постоянно переносился. Так, согласно прошлогоднему (2016 г.) июньскому сообщению: «получение первой плазмы запланировано на декабрь 2025-го года».

Механизм работы токамака ITER

Термин «токамак» происходит из русского акронима, который обозначает «тороидальная камера с магнитными катушками».

Сердцем токамака является его вакуумная камера в форме тора. Внутри, под воздействием экстремальной температуры и давления, газообразное водородное топливо становится плазмой — горячим электрически заряженным газом. Как известно, звездное вещество представлено плазмой, а термоядерные реакции в ядре Солнца протекают как раз в условиях повышенной температуры и давления. Подобные условия для формирования, удержания, сжатия и разогрева плазмы создаются посредством массивных магнитных катушек, которые расположены вокруг вакуумного сосуда. Воздействие магнитов позволит ограничить горячую плазму от стен сосуда.

Перед началом процесса воздух и примеси удаляются из вакуумной камеры. Затем заряжаются магнитные системы, которые помогут контролировать плазму, и вводится газообразное топливо. Когда через сосуд проходит мощный электрический ток, газ электрически расщепляется и становится ионизированным (то есть электроны покидают атомы) и образует плазму.

По мере того, как частицы плазмы активируются и сталкиваются, они также начинают нагреваться. Вспомогательные методы нагрева помогают привести плазму к температурам плавления (от 150 до 300 миллионов ° C). Частицы, «возбужденные» до такой степени, могут преодолеть свое естественное электромагнитное отталкивание при столкновении, в результате таких столкновений высвобождается огромное количество энергии.

Конструкция токамака состоит из таких элементов:

Вакуумный сосуд

(«пончик») – тороидальная камера, выполненная из нержавеющей стали. Ее большой диаметр составляет 19 м, малый – 6 м, а высота – 11 м. Объем камеры составляет 1 400 м 3 , а масса – более 5 000 т. Стенки вакуумного сосуда двойные, между стенками будет циркулировать теплоноситель, в роли которого выступит дистиллированная вода. Во избежание загрязнения воды, внутренняя стенка камеры защищена от радиоактивного излучения при помощи бланкета.

Бланкет

(«одеяло») – состоит из 440 фрагментов, укрывающих внутреннюю поверхность камеры. Общая площадь банкета составляет 700м 2 . Каждый фрагмент представляет собой нечто вроде кассеты, корпус которой сделан из меди, а передняя стенка является съемной и сделана из бериллия. Параметры кассет 1х1,5 м, а масса — не более 4,6 т. Подобные бериллиевые кассеты будут замедлять высокоэнергетические нейтроны, образованные в процессе реакции. Во время замедления нейтронов будет выделяться тепло, отводимое системой охлаждения. Следует отметить, что бериллиевая пыль, образуемая в результате работы реактора, может вызвать тяжелое заболевание под названием бериллиоз, также несет канцерогенное воздействие. По этой причине в комплексе разрабатываются строгие меры безопасности.

Токамак в разрезе. Желтым — соленоид, оранжевым — магниты тороидального поля (TF) и полоидального поля (PF), синим — бланкет, светло-синим — VV — вакуумный сосуд, фиолетовым — дивертор

(«пепельница») полоидального типа – устройство, основной задачей которого является «очищение» плазмы от грязи, возникающей в результате нагрева и взаимодействия с ней стенок камеры, покрытых бланкетом. При попадании подобных загрязнений в плазму, они начинают интенсивно излучать, вследствие чего возникают дополнительные радиационные потери. Располагается в нижней части токомака и при помощи магнитов направляет верхние слои плазмы (которые являются наиболее загрязненными) в охлаждающую камеру. Здесь плазма охлаждается и превращается в газ, после чего откачивается из камеры обратно. Бериллиевая пыль, после попадания в камеру – практически неспособна вернуться обратно в плазму. Таким образом загрязнение плазмы остается лишь на поверхности и не проникает вглубь.

Криостат

– крупнейший компонент токомака, который представляет собой оболочку из нержавеющей стали объемом 16 000 м 2 (29,3 х 28,6 м) и массой 3 850 т. Внутри криостата будут располагаться прочие элементы системы, а сам он служит барьером между токамаком и внешней средой. На его внутренних стенках будут расположены тепловые экраны, охлаждаемые циркулирующим азотом при температуре 80 К (-193,15 °C).

Магнитная система

– комплекс элементов, служащих для удержания и контроля плазмы внутри вакуумного сосуда. Представляет собой набор из 48 элементов:

• Катушки тороидального поля – находятся снаружи вакуумной камеры и внутри криостата. Представлены в количестве 18-ти штук, каждая из которых размером 15 х 9 м и весит примерно 300 т. Вместе эти катушки генерируют вокруг плазменного тора магнитное поле напряженностью 11,8 Тл и запасают энергию в 41 ГДж.
• Катушки полоидального поля – находятся поверх катушек тороидального поля и внутри криостата. Данные катушки отвечают за формирование магнитного поля, отделяющего массу плазмы от стенок камеры и сжимающего плазму для адиабатического нагрева. Количество таких катушек составляет 6. Две из катушек имеют диаметр 24 м, а массу – 400 т. Остальные четыре – несколько меньше.
• Центральный соленоид – находится во внутренней части тороидальной камеры, вернее в «дырке бублика». Принцип его работы схож с трансформатором, а основная задача – возбуждение индуктивного тока в плазме.
• Корректирующие катушки – находятся внутри вакуумного сосуда, между бланкетом и стенкой камеры. Их задача состоит в сохранении формы плазмы, способной локально «выпучиваться» и даже прикасаться к стенкам сосуда. Позволяет понизить уровень взаимодействия стенок камеры с плазмой, а следовательно – уровень ее загрязнения, а также понижает износ самой камеры.

Структура комплекса ИТЕР

Вышеописанная «в двух словах» конструкция токамака представляет собой сложнейший инновационный механизм, собираемый усилиями нескольких стран. Однако, для ее полноценной работы требуется целый комплекс построек, расположенных вблизи токамака. В их числе:

• Система управления, связи и доступа к данным (Control, Data Access and Communication) – CODAC. Находится в ряде зданий комплекса ИТЕР.
• Хранилища топлива и топливная система – служит для доставки топлива в токамак.
• Вакуумная система – состоит из более чем четырехсот вакуумных насосов, задача которых – выкачка продуктов термоядерной реакции, а также различных загрязнений из вакуумной камеры.
• Криогенная система – представлена азотным и гелиевым контуром. Гелиевый контур будет нормализировать температуру в токамаке, работа (а значит и температура) которого протекает не непрерывно, а импульсно. Азотный контур будет охлаждать тепловые экраны криостата и сам гелиевый контур. Также будет присутствовать водяная система охлаждения, которая направлена на понижение температуры стенок бланкета.
• Электропитание. Токамаку потребуется примерно 110 МВт энергии для постоянной работы. Для этого будут проведены линии электропередач в километр, которые будут подключены к французской промышленной сети. Стоит напомнить, что экспериментальная установка ИТЭР – не предусматривает выработку энергии, а работает лишь в научных интересах.

Финансирование ИТЭР

Международный термоядерный реактор ITER – достаточно дорогое мероприятие, которое изначально оценивалось в 12 миллиардов долларов, где на Россию, США, Корею, Китай и Индию приходится в 1/11 части суммы, на Японию – 2/11, а на ЕС — 4/11. Позже эта сумма возросла до 15 миллиардов долларов. Примечательно, что финансирование происходит посредством поставки требуемого для комплекса оборудования, которое развито в каждой из стран. Так, Россия поставляет бланкеты, устройства нагрева плазмы и сверхпроводящие магниты.

Перспектива проекта

В данный момент происходит постройка комплекса ИТЭР и производство всех требуемых компонентов для токамака. После запланированного запуска токамака в 2025-м году начнется проведение ряда экспериментов, на основе результатов которых будут отмечены аспекты, требующие доработки. После успешного ввода в строй ИТЭР планируется постройка электростанции на основе термоядерного синтеза под названием DEMO (DEMOnstration Power Plant). Задача DEMo состоит в демонстрации так называемой «коммерческой привлекательности» термоядерной энергетики. Если ITER способен вырабатывать всего 500 МВт энергии, то DEMO позволит непрерывно генерировать энергию в 2 ГВт.

Однако, следует иметь ввиду, что экспериментальная установка ИТЭР не будет вырабатывать энергию, а ее предназначение состоит в получении чисто научной выгоды. А как известно, тот или иной физический эксперимент может не только оправдать ожидания, но также и принести человечеству новые знания и опыт.