Для чего нужен итэр
Вопросы и ответы по ИТЭР
A: ITER (ИТЭР, International Thermonuclear Experimental Reactor) — экспериментальный термоядерный реактор на базе концепции токамака. Проектирование в несколько подходов (разных вариантов) шло с 1992 по 2007 год, сооружение — с 2009 по настоящее время (и продолжается). Токамак ИТЭР будет примерно вдвое больше предшественников по всем размерам, примерно в 10 раз объемнее и тяжелее, в 15 раз дороже, и в 25 раз мощнее с точки зрения термоядерной мощности.
Q: Какие у него цели?
Q: А какая мощность у ИТЭР?
A: Начнем с того, что ИТЭР не будет вырабатывать электроэнергию — все тепло будет просто сбрасываться в градирни системы охлаждения. Турбина оказалась слабо совместима с импульсными режимами работы, которые освоены для токамаков на сегодня (о них ниже) и интересами ученых. Поэтому получается, что мощностей у ИТЭР довольно много, давайте их перечислим:
Мощность сбрасываемая в градирни всеми источниками тепла, максимальная — 1150 мегаватт.
Мощность, выделяющаяся в плазме в разных режимах токамака от 250 до 700 мегаватт.
Из них мощность термоядерной реакции от 200 до 630 мегаватт, а остальное вкладывается системами нагрева плазмы.
При этом сам ИТЭР потребляет значительную мощность от “розетки” — порядка 600 мегаватт в момент горения (или как его называют — выстрела) плазмы и около 110 мегаватт при подготовке
Еще большее количество энергии циркулирует в системе электропитания сверхпроводящих магнитов — из-за необходимости изменять ток в магнитах во время плазменного выстрела в системе магниты — реактивная компенсация гуляет около 2 гигаватт реактивной мощности. Из “розетки” эта система потребляет около 250 мегаватт, входящих в 600 общего потребления.
Таким образом, получается, что хотя с физической точки зрения ИТЭР, его термоядерная мощность в 10 раз превосходит мощность нагрева, с инженерной точки зрения ИТЭР не дотягивает даже до единицы. Однако связано это скорее не с принципиальной невозможностью, а оптимизацией затрат — пока выгоднее сделать токамак импульсным и не вырабатывающим энергию.
Q: А что значит импульсный? Сколько времени будет длиться “импульс” в ИТЭР?
1000 тонн, и его запаса энергии хватает на 400 секунд индуктивного режима на номинальной мощности 500 мегаватт, или 100 секунд с током плазмы 17 мегампер, при котором мощность будет
Существует возможность и поддержания тока плазмы с помощью радиочастотных систем и инжекторов нейтрального пучка, вплоть до полностью неиндуктивного режима, когда центральный соленоид не задействуется. Такие режимы были продемонстрированы на токамаках и будут внедрены на ИТЭР. Смесь индуктивного и неиндуктивного режима ожидаемо называется гибридным.
На первой стадии ИТЭРу будут доступны гибридные режимы с мощностью до 400 мегаватт при длительности 1000 секунд. После апгрейда 3 инжектором нейтрального пучка и нижегибридным радиочастотным нагревом — полностью неиндуктивные, до часовых “импульсов” горения на мощности 400 мегаватт — и тут ограничениями уже выступают буферные емкости криосистемы и системы охлаждения.
Q: ИТЭР не будет иметь турбогенератора для выработки электроэнергии? Но неужели нет других способов получать электричество из энергии термоядерного горения?
A: Как я уже отметил выше — турбогенератора у ИТЭР нет в основном по причинам не желания привносить еще и проблемы энергогенерации в инженерно-физическую установку.
Другие варианты, кроме классической паротурбинной схемы есть. Однако необходимо вспомнить, что 86% энергии термоядерной реакции дейтерий-тритий уносится нейтронами, и извлечь из них энергию можно только затормозив их в куске материала, который от этого нагреется. Получается, что для дейтерий-трития единственными вариантами с высоким кпд остаются тепловые машины — будь то паротурбинная установка или газотурбинная или парогазовая.
Для других видов термоядерных реакций распределение каналов ухода энергии из плазмы другое. Если посмотреть на 3 основные альтернативы дейтерий-тритию (DT): DD, DHe3, pB11 — то здесь основным каналом потери становится электромагнитное излучение — от СВЧ радиоволн до жесткого рентгена в случае pB11. Теоретически здесь как минимум часть энергии можно получать с помощью каких-то аналогов солнечных батарей (фотовольтаики), но на сегодня эта тема плохо изучена. Еще одним механизмом может быть отбор части горячей плазмы и прямое преобразование ее энергии в электричество. Устройства, способные это делать существуют и испытывались на плазменных устройствах (открытой ловушке Gamma-10). Однако инженерные перспективы подобного подхода и совместимость с необходимостью управления плазмой пока неясны.
Q: А что с топливообеспечением? Тритий — искусственный элемент с периодом полураспада 12 лет, где ИТЭР возьмет его?
A: Сегодня в мире основными наработчиками трития выступают тяжеловодные реакторы CANDU, из которых извлекают порядка 2 кг трития в год. ИТЭР потребует 3 кг для зарядки всех своих тритиевых подсистем, и примерно 1 кг за каждый год работы. Т.е. пока тритий потребляет только ИТЭР и работают CANDU — проблем нет. Однако если термоядерные реакторы на принципе DT токакмаков продолжат развиваться, то им понадобится самообеспечение по тритию, для чего на ИТЭР будет отрабатываться технологии размножающего бланкета, в котором потоком нейтронов из плазмы изотоп Li 6 будет делиться с получением трития.
Q: А когда ИТЭР наконец построят и запустят? И сколько он стоит?
А: Проект международного термоядерного реактора очень долго не мог выбраться из обсуждений, доработок и переделок, и только в последние пару лет строительство и производство компонентов набрало темп. Сегодня начало сборки реактора в шахте намечено на 3 квартал 2019 года, а окончание и первый запуск — на декабрь 2025. Однако первый запуск будет на “голой” машине, лишенной основной части систем диагностики (изучения) и нагрева плазмы и возможности работать с тритием. После первой плазмы ИТЭР предстоит апгрейдится урывками еще 8-10 лет, в зависимости от финансирования, чтобы добраться до штатного комплекта оборудования и зажечь наконец термоядерную реакцию мощностью 500 мегаватт.
Стоимость ИТЭР в свою очередь — очень сложная материя. По идее просуммировать расходы участников, но не все они достоверно известно, кроме того финансирование ведется по сложной схеме — основная денег тратится на разработку и производство оборудования, которая каждая из стран обязалась поставить в проект в натурном виде, а часть передается деньгами в общий «котел» для работ международного агенства ИТЭР, которое занимается проектированием части машины, координацией, сборкой и т.п. Общие расходы сейчас оцениваются в 22 миллиарда евро, что автоматически ставит ИТЭР на первое место по стоимости среди научных установок.
Q: Вроде как у термоядерных реакторов есть проблемы со стойкостью материалов. Есть ли оценки сколько часов/лет работы реактора на полной мощности выдержат без особого структурного повреждения стенки реактора (тора токамака) из специальной стали?
A: Термоядерная плазма опасна для находящихся вблизи конструкций (внутренних стенок камеры и дивертора итд.) по причине ЭМ излучения и потока нейтронов. Электромагнитное излучение поглощается интенсивно охлаждаемыми металлическими поверхностями, и грозит перегревом (короблением, плавлением и т.п.) только в случае отказа охлаждения.
С нейтронным потоком сложнее: мгновенный поток очень жесткий из-за высокой энергии нейтронов (в 14 раз выше, чем в быстром реакторе), и довольно высокий флюэнс (плотность потока нейтронов), всего в 10 раз ниже, чем пиковый в ядерном реакторе.
Но при этом интегральная величина за время работы не так велика — ИТЭР же импульсный и экспериментальный, а это важно для оценки степени повреждений материала.
В итоге, живучесть первой стенки (а это основная деталь, подверженная электромагнитными и нейтронным нагрузкам) — 5 лет, причем определяется не структурными повреждениями как таковыми, а в основном плазменной эрозией и деградацией медного теплоотводящего основания (тут уже как раз из-за нейтронов). Для сравнения — нагрузка на первую стенку до съема будет 0,3 с.н.а (смещений на атом — единица повреждающей дозы), а нагрузка, скажем, выгородки ВВЭР-1000 до съема — 30 с.н.а., нагрузка оболочек твэлов в быстром реакторе — 60 с.н.а. и в перспективных материалах — 100+ с.н.а.
Однако при достижении коммерчески интересных параметров термоядерного реактора повреждения внутренних конструкций излучениями плазмы становятся определяющими. Для поиска новых материалов в Японии сооружается новая лаборатория IFMIF.
Q: Поясните про пятилетний ресурс первой стенки. Что потом? Или 40 лет строим 5 лет эксплуатируем?
A: Первая стенка и дивертор (который будет иметь срок службы 10-15 лет) сменные. Замена будет проводиться роботизированной системой обслуживания.
Q: Говорят, что ИТЭР дает чистую энергию, т.е. без радиации, как у ядерных реакторов. Но если есть нейтроны, то по идее это не так?
A: ИТЭР будет ядерно-опасным объектом, но заметно менее опасным, чем ядерные реакторы. У меня есть специальная статья, сравнивающая эти два типа.
Зачем ученые всем миром строят ITER
Эксперты полагают, что мы должны отказаться от энергетики на ископаемом топливе, потому что продукты его сгорания вредны для здоровья и экологии. Но что у нас есть взамен?
Большую часть электроэнергии в мире мы производим на установках, где сжигаем газ, нефтепродукты или уголь. Почти весь транспорт работает на углеводородном топливе. Жители многих стран используют газовые плиты дома. Вещества, которые образуются от сжигания нефти и газа, а это главным образом диоксид углерода, поступают в атмосферу, а оттуда — в наши легкие, вызывая заболевания, отравления, аллергии. Продукты сгорания способствуют потеплению атмосферы и изменению климата. Их так и называют — парниковыми газами. С конца XIX века среднегодовая температура на планете повысилась на 0,6 градуса, а в Арктическом регионе — на 1 градус. Это привело к значительному таянию морского льда, деградации вечной мерзлоты, и как следствие, проблемам с дорогами, постройками за Полярным кругом. Сибирская язва, о которой на Ямале не слышали 75 лет кряду, дала о себе знать эти летом: оттаяли старые скотомогильники. А поскольку споры этого смертельного заболевания живут столетиями, то заражение оленей, а от них и людей было неизбежно. Ученые предупреждают, что в концу XXI века температура на Земле повысится более, чем на один градус, а скорее всего, на три. От прогрева атмосферы ученые не ждут ничего хорошего и, моделируя угрозы, призывают мировое сообщество сократить или совсем отказаться от энергетики на ископаемом топливе.
Атом исчерпаем
Прежде чем сокращать потребление ископаемого топлива, нужно найти источник энергии, который был бы так же доступен, дешев и сравнительно безопасен. Солнечная, ветровая и гидротермальная энергетика заменой нефти и газу служить не сможет. Хотя эти виды энергетики хорошо развиваются, и благодаря новым материалам и технологиям, значительно подешевели, польза от них локальная. Ветряки хорошо ставить рядом с морским берегом, гидротермальные станции — в зоне вулканической активности, а солнечные панели хороши на юге, где много солнца. Гидроэлектростанции тоже не спасут положение, ведь крупные реки есть далеко не по всему миру. Так что основные надежды связаны с атомными электростанциями — АЭС. Но у них есть ряд серьезных, не разрешимых пока проблем.
Человечество получило серьезные уроки от ядерной энергии и сделало выводы. В мире работает много реакторов «чернобыльского» типа, на которых предприняты все возможные меры безопасности. Их постепенно выводят из работы, заменяя на новые, более безопасные реакторы. Однако у них та же родовая травма, что и у старых — утилизация радиоактивных отходов. Реактор нужно загружать новым топливом каждые три года, а старое топливо выгружать и где-то хранить. Подсчитано, что за 60 лет работы реактора накопится 1600 тонн отработанного ядерного топлива — ОЯТ, которое очень опасно. Использовать его негде, переработать все без остатка стоит дороже, чем произведенная электроэнергия, хранить опасно. ОЯТ складируют на территории АЭС в контейнерах, либо опускают в бассейны с водой, как на «Фукусиме», либо остекловывают и отвозят в горные хранилища. От захоронения ОЯТ под землей и в океане решили отказаться из-за опасности заразить окружающую среду. Подсчитано, что обращение с ОЯТ выходит дороже, чем сжигание нефти и газа. К тому же, как и углеводородное топливо, запасы урана в мире не бесконечны. Они могут закончиться уже лет через 40. А вопрос об АЭС, как возможных мишенях для террористов, даже не будем трогать. Меньше знаешь — лучше спишь.
В общем, теперь вы поняли, почему доля ядерной энергетики составляет 5% от всей энергетики в мире. И это несмотря на более полувековой период развития.
Загадочный термояд
В прошлом веке большие надежды возлагали на термоядерную энергетику, которая представляет собой аналог ядерной — только без радиоактивного топлива. Идея термояда восходит к легендарным советским физикам Андрею Сахарову и Игорю Тамму. Она заключается в том, чтобы получить плазму, которая служила бы источником быстрых нейтронов. Нейтроны будут отдавать свою энергию теплоносителю, например, нагревать воду, и далее, тепловую энергию воды легко преобразовать в электрическую. По этой схеме работают АЭС и ТЭС.
Чтобы получить плазму, физики придумали реактор особой формы — в виде тора. Это буквально металлическая катушка, намотанная на камеру с плазмой. Тор-реактор назвали токамаком, что означает тороидальная камера с магнитными катушками. Первый токамак в СССР построили в 1954 году.
Несмотря на то, что термояд изучали лучшие умы в нескольких странах мира, он так и не стал источником энергии. Освоить этот вид энергетики оказалось сложнее, чем рассчитывали. До сих пор не удалось построить такой реактор, который бы вырабатывал энергии больше, чем потребил. Это мог бы сделать токамак EAST в Китае, но только в теории. Все же физики не оставляют надежд приручить термояд, поэтому в 2008 году несколько стран решили построить самый большой термоядерный реактор в мире — ITER на юге Франции, в провинции Кадараш. Сейчас это — один из самых сложных и дорогих научных проектов в мире, пусть и с не очень ясными перспективами. Из-за разных технических и экономических причин строительство ITER постоянно затягивают. Бюджет составляет около 20 млрд долларов, а первую плазму планируют получить только в 2025 году.
ITER — это большая установка высотой с девятиэтажный дом. Внутри у нее находится токамак, куда в вакууме будут закачивать дейтерий — изотоп водорода. Сначала через дейтерий пустят газовый разряд, чтобы отодрать от изотопов электроны. Газообразный дейтерий ионизируется и превратится в плазму. Плазму нагреют до 150 млн градусов Цельсия (на порядок выше, чем в центре Солнца), чтобы запустить термоядерную реакцию. Удерживать раскаленную плазму в камере будут с помощью сильных магнитных полей, создаваемых сверхпроводящими магнитами. В принципе, ITER можно сравнить с Солнцем. Там идут похожие реакции. Только Солнце горит непрерывно, а поддерживать термоядерную реакцию в токамаке хотя бы несколько часов подряд еще не удавалось никому. Вот это и намерены сделать на ITER.
Неистовая плазма
Ахиллесова пята токамака — это его плазменное топливо. Оно так и норовит остыть, а тогда затухает и термоядерная реакция. Внезапное охлаждение плазмы называют срывом. Во время срыва в плазме само по себе возникает вихревое электрическое поле, которое разгоняет электроны до околосветовых скоростей. Их называют убегающими электронами. Поток убегающих электронов может выплеснуться на стенку реактора и прожечь ее. Тогда реактор встанет на несколько месяцев, а ремонт обойдется в круглую сумму. Пока есть только идеи, как обезопасить реактор от убегающих электронов, ни одна из которых до конца не проверена.
Охладить плазму могут и частицы, вылетающие из стенок и элементов камеры. Например, частицы вольфрама, из которого сделаны диверторы — уловители примесей. Вольфрам — самый тугоплавкий материал, способный выдерживать чудовищные температуры. Но и ему есть предел. Из-за контакта с раскаленной плазмой вольфрамовая поверхность трескается и разрушается.
В идеале в плазму не должны попадать никакие примеси, иначе она остынет. Для улавливания примесей как раз и нужны диверторы. Кроме частиц, в диверторы будет поступать гелий, который образуется при сгорании смешанного дейтериево-тритиевого топлива. Такое топливо будут использовать на ITER на заключительном этапе, при стабильной работе. Термоядерная реакция дейтерия и трития более эффективна, она дает больше быстрых нейтронов для нагрева воды, но вызывает и больше проблем. Пока даже неясно, как лучше вырабатывать и хранить тритий. Из-за малого периода полураспада тритий сам по себе быстро улетучивается.
Впрочем, тритий понадобится еще не скоро. На первых порах ITER будет работать на водороде, потом в него загрузят дейтерий, и когда все наладится, настанет очередь дейтериево-тритиевого топлива. Реактор будет работать в режиме чайника — его будут включать на 300 секунд, чтобы нагреть воду в специальных элементах — бланкетах. Из бланкетов вода будет поступать в бассейны на улице и там остывать. В сеть энергия от ITER не пойдет. Его цель — показать, что он может вырабатывать больше энергии, чем потреблять. Разработчики надеются получить 500 мегаватт энергии. Это в пять раз больше того, что будет затрачено на поддержание работы установки.
Множество проблем, которые предстоит решить в процессе строительства и работы ITER, не смущает ученых. Как не смущает и дороговизна проекта. Они уже задумали следующий проект — токамак DEMO, который станет первым в мире коммерческим термоядерным реактором, дающим энергию в сеть. Его реализация запланирована на 2040-й год.
Конкурент ITER
Допустим, ITER покажет себя. Решит ли это проблемы мировой энергетики? Эксперты полагают, что нет. Потому что с экономической точки термоядерная энергия будет очень дорогая. Поэтому появились идеи, как увеличить эффективность термояда, чтобы он стал выгоден. Согласно одной из идей, в модули бланкетов можно добавить уран-238 или торий-232. Под действием быстрых нейтронов, летящих из плазмы, уран будет распадаться, и еще сильнее нагревать теплоноситель. Так можно получить в семь раз больше энергии, чем в обычном токамаке. Эту технологию гибридного термояда планируют применить в токамаке «Игнитор», изобретенном в Италии. А построить его собираются в подмосковном Троицке в ТРИНИТИ. Но из-за большого бюджета проект пока находится в подвешенном состоянии. Зато почти модернизирован гибридный токамак Т-15 в Курчатовском институте в Москве.
Термояд в открытой ловушке
Российские ученые принимают активное участие в создании ITER. Большую роль в том, чтобы проект состоялся, сыграли руководитель советской программы управляемых термоядерных реакторов академик Евгений Велихов и специалисты Курчатовского института. Сейчас ученые оттуда настраивают для ITER программу, которая моделирует поведение плазмы в реакторе.
Заметный вклад вносят и ученые из Института ядерной физики в Новосибирске — ИЯФ, где установки для исследования термояда построили в начале 1970-х годов. Теперь новосибирцы проводят для ITER материаловедческие исследования и делают несколько диагностических модулей. В ИЯФ находится единственная в мире стендовая установка для испытания вольфрама в условиях термоядерного синтеза.
В Новосибирске есть и собственные наработки. Недавно там придумали, как улучшить термоядерный реактор. Ученые ИЯФ предложили разогревать плазму в цилиндре обычной формы, так называемой открытой ловушке, с помощью микроволнового пучка. Это позволит сделать компактную и недорогую установку для выработки энергии. Открытые ловушки — это не новое изобретение, с них начались эксперименты по термояду. Но из-за больших потерь энергии плазмы, от идеи отказались. Теперь же на новом витке прогресса термояд в открытой ловушке вполне реально запустить. По крайней мере, так считают авторы идеи. Теоретически они даже рассчитывают получать энергию, минуя тепловой цикл, то есть напрямую из плазмы — вставив туда электроды.
Самая грандиозная научная стройка современности. Как во Франции строят термоядерный реактор ITER
Управляемый термоядерный синтез — голубая мечта физиков и энергетических компаний, которую они лелеют не одно десятилетие. Заключить искусственное Солнце в клетку — прекрасная идея. «Но проблема в том, что мы не знаем, как создать такую коробку», — говорил нобелевский лауреат Пьер Жиль де Жен в 1991 году. Однако к середине 2018 года мы уже знаем как. И даже строим. Лучшие умы мира трудятся над проектом международного экспериментального термоядерного реактора ITER — самого амбициозного и дорогого эксперимента современной науки.
Такой реактор стоит в пять раз больше, чем Большой адронный коллайдер. Над проектом работают сотни ученых по всему миру. Его финансирование запросто может перевалить за 19 млрд евро, а первую плазму по реактору пустят только в декабре 2025 года. И несмотря на постоянные задержки, технологические трудности, недостаточное финансирование со стороны отдельных стран-участниц, самый большой в мире термоядерный «вечный двигатель» строится. Преимуществ у него куда больше, чем недостатков. Каких? Рассказ о самой грандиозной научной стройке современности начинаем с теории.
Что такое токамак?
Под действием огромных температур и гравитации в глубинах нашего Солнца и других звезд происходит термоядерный синтез. Ядра водорода сталкиваются, образуют более тяжелые атомы гелия, а заодно высвобождают нейтроны и огромное количество энергии.
Современная наука пришла к выводу, что при наименьшей исходной температуре наибольшее количество энергии производит реакция между изотопами водорода — дейтерием и тритием. Но для этого важны три условия: высокая температура (порядка 150 млн градусов по Цельсию), высокая плотность плазмы и высокое время ее удержания.
Дело в том, что создать такую колоссальную плотность, как у Солнца, нам не удастся. Остается только нагревать газ до состояния плазмы посредством сверхвысоких температур. Но ни один материал не способен вынести соприкосновения со столь горячей плазмой. Для этого академик Андрей Сахаров (с подачи Олега Лаврентьева) в 1950-е годы предложил использовать тороидальные (в виде пустотелого бублика) камеры с магнитным полем, которое удерживало бы плазму. Позже и термин придумали — токамак.
Современные электростанции, сжигая ископаемое топливо, конвертируют механическую мощность (кручения турбин, например) в электричество. Токамаки будут использовать энергию синтеза, абсорбируемую в виде тепла стенками устройства, для нагрева и производства пара, который и будет крутить турбины.
Небольшие экспериментальные токамаки строились по всему миру. И они успешно доказали, что человек может создать высокотемпературную плазму и удерживать ее некоторое время в стабильном состоянии. Но до промышленных образцов еще далеко.
Преимущества и недостатки термоядерных реакторов
Типичные ядерные реакторы работают на десятках тонн радиоактивного топлива (которые со временем превращаются в десятки тонн радиоактивных отходов), тогда как термоядерному реактору необходимы лишь сотни грамм трития и дейтерия. Первый можно вырабатывать на самом реакторе: высвобождающиеся во время синтеза нейтроны будут воздействовать на стенки реактора с примесями лития, из которого и появляется тритий. Запасов лития хватит на тысячи лет. В дейтерии тоже недостатка не будет — его в мире производят десятками тысяч тонн в год.
Термоядерный реактор не производит выбросов парниковых газов, что характерно для ископаемого топлива. А побочный продукт в виде гелия-4 — это безвредный инертный газ.
К тому же термоядерные реакторы безопасны. При любой катастрофе термоядерная реакция попросту прекратится без каких-либо серьезных последствий для окружающей среды или персонала, так как нечему будет поддерживать реакцию синтеза: уж слишком тепличные условия ей необходимы.
Однако есть у термоядерных реакторов и недостатки. Прежде всего это банальная сложность запуска самоподдерживающейся реакции. Ей нужен глубокий вакуум. Сложные системы магнитного удержания требуют огромных сверхпроводящих магнитных катушек.
И не стоит забывать о радиации. Несмотря на некоторые стереотипы о безвредности термоядерных реакторов, бомбардировку их окружения нейтронами, образующимися во время синтеза, не отменить. Эта бомбардировка приводит к радиации. А потому обслуживание реактора необходимо проводить удаленно. Забегая вперед, скажем, что после запуска непосредственным обслуживанием токамака ITER будут заниматься роботы.
К тому же радиоактивный тритий может быть опасен при попадании в организм. Правда, достаточно будет позаботиться о его правильном хранении и создать барьеры безопасности на всех возможных путях его распространения в случае аварии. К тому же период полураспада трития — 12 лет.
Когда необходимый минимальный фундамент теории заложен, можно перейти и к герою статьи.
Самый амбициозный проект современности
Спустя год между американскими, советскими, европейскими и японскими учеными было достигнуто соглашение по проекту, началась проработка концептуального дизайна крупного термоядерного комплекса ITER. Проработка инженерных деталей затянулась, США то выходили, то возвращались в проект, к нему со временем присоединились Китай, Южная Корея и Индия. Участники разделяли обязанности по финансированию и непосредственным работам, а в 2010 году наконец стартовала подготовка котлована под фундамент будущего комплекса. Его решили строить на юге Франции возле города Экс-ан-Прованс.
Так что же такое ITER? Это огромный научный эксперимент и амбициозный энергетический проект по строительству самого большого токамака в мире. Сооружение должно доказать возможность коммерческого использования термоядерного реактора, а также решить возникающие физические и технологические проблемы на этом пути.
Из чего состоит реактор ITER?
Токамак — это тороидальная вакуумная камера с магнитными катушками и криостатом массой в 23 тыс. тонн. Как уже понятно из определения, у нас есть камера. Глубокая вакуумная камера. В случае с ITER это будет 850 кубометров свободного объема камеры, в котором на старте будет всего 0,1 грамма смеси дейтерия и трития.
На внутренних стенках камеры расположены специальные модули, которые называют бланкетами. Внутри них циркулирует вода. Вырывающиеся из плазмы свободные нейтроны попадают в эти бланкеты и тормозятся водой. Из-за чего она нагревается. Сами бланкеты защищают всю остальную махину от теплового, рентгеновского и уже упомянутого нейтронного излучения плазмы.
Такая система необходима для того, чтобы продлить срок работы реактора. Каждый бланкет весит порядка 4,5 тонны, их будет менять роботизированная рука примерно раз в 5—10 лет, так как этот первый ряд обороны будет подвержен испарению и нейтронному излучению.
Но это далеко не все. К камере присоединяется внутрикамерное оборудование, термопары, акселерометры, уже упомянутые 440 блоков бланкетной системы, системы охлаждения, экранирующий блок, дивертор, магнитная система из 48 элементов, высокочастотные нагреватели плазмы, инжектор нейтральных атомов и т. д. И все это находится внутри огромного криостата высотой 30 метров, имеющего такой же диаметр и объем 16 тыс. кубометров. Криостат гарантирует глубокий вакуум и ультрахолодную температуру для камеры токамака и сверхпроводящих магнитов, которые охлаждаются жидким гелием до температуры –269 градусов по Цельсию.
Производство всего этого оборудования разделено между странами-участницами. Например, над частью бланкетов работают в России, над корпусом криостата — в Индии, над сегментами вакуумной камеры — в Европе и Корее.
Но это отнюдь не быстрый процесс. К тому же права на ошибку у конструкторов нет. Команда ITER сперва моделирует нагрузки и требования к элементам конструкции, их испытывают на стендах (например, под воздействием плазменных пушек, как дивертор), улучшают и дорабатывают, собирают прототипы и опять тестируют перед тем, как выдать финальный элемент.
Но одно дело собрать. И совсем другое — все это обслуживать. Из-за высокого уровня радиации доступ к реактору заказан. Для его обслуживания разработано целое семейство роботизированных систем. Часть будет менять бланкеты и кассеты дивертора (весом под 10 тонн), часть — управляться удаленно для устранения аварий, часть — базироваться в карманах вакуумной камеры с HD-камерами и лазерными сканерами для быстрой инспекции. И все это необходимо делать в вакууме, в узком пространстве, с высокой точностью и в четком взаимодействии со всеми системами. Задачка посложнее ремонта МКС.
Причем это только часть оборудования самого реактора. Добавьте сюда здание криокомбината, где будут вырабатывать жидкий азот и гелий, здание выпрямителей магнитной системы с трансформаторами, трубопроводы системы охлаждения (диаметром по 2 метра), систему сброса тепла с 10 вентиляторными градирнями и многое-многое другое. На все это и идут миллиарды.
Зачем нужен ITER и кто за него платит?
Токамак ITER станет первым термоядерным реактором, который будет вырабатывать больше энергии, чем необходимо для нагрева самой плазмы. К тому же он сможет поддерживать ее в стабильном состоянии намного дольше ныне существующих установок. Ученые утверждают, что именно для этого и нужен столь масштабный проект.
С помощью такого реактора специалисты собираются преодолеть разрыв между нынешними небольшими экспериментальными установками и термоядерными электростанциями будущего. Например, рекорд по термоядерной мощности был установлен в 1997 году на токамаке в Британии — 16 МВт при затраченных 24 МВт, тогда как ITER конструировали с прицелом на 500 МВт термоядерной мощности от 50 МВт вводимой тепловой энергии.
На токамаке будут испытаны технологии нагрева, контроля, диагностики, криогеники и дистанционного обслуживания, то есть все методики, необходимые для промышленного образца термоядерного реактора.
Объемов мирового производства трития будет недостаточно для электростанций будущего. А потому на ITER отработают также технологию размножающегося бланкета, содержащего литий. Из него под действием термоядерных нейтронов и будут синтезировать тритий.
Однако не стоит забывать, что это пускай и дорогой, но эксперимент. Токамак не будет оборудован турбинами или другими системами конвертации тепла в электричество. То есть коммерческого выхлопа в виде непосредственной генерации энергии не будет. Почему? Потому что это только усложнило бы проект с инженерной точки зрения и сделало бы его еще более дорогим.
Схема финансирования довольно запутанная. На стадии строительства, создания реактора и прочих систем комплекса примерно 45% расходов несут страны Евросоюза, остальные участники — по 9%. Однако бóльшая часть взносов — это «натура». Большинство компонентов поставляются в ITER напрямую от стран-участниц.
Они прибывают во Францию по морю, а из порта к стройплощадке доставляются по дороге, специально переделанной французским правительством. На 104 км «Пути ITER» страна потратила 110 млн евро и 4 года работы. Трасса была расширена и усилена. Дело в том, что до 2021 года по ней пройдут 250 конвоев с огромными грузами. Самые тяжелые детали достигают 900 тонн, самые высокие — 10 метров, самые длинные — 33 метра.
Пока ITER не ввели в эксплуатацию. Однако уже существует проект электростанции DEMO на термоядерном синтезе, задача которой как раз и продемонстрировать привлекательность коммерческого использования технологии. Этот комплекс должен будет непрерывно (а не импульсно, как ITER) генерировать 2 ГВт энергии.
Сроки реализации нового глобального проекта зависят от успехов ITER, но по плану 2012 года первый пуск DEMO произойдет не раньше 2044 года.
Читайте также:
Наш канал в Telegram. Присоединяйтесь!
Быстрая связь с редакцией: читайте паблик-чат Onliner и пишите нам в Viber!