Экспериментальные термоядерные реакторы

В научно-исследовательского центре «Курчатовский институт» разобрали старый исследовательский реактор Т-15 в здании института — и теперь на его фундаменте строят новую гибридную установку. «Гибридный токамак сейчас называется Т-15МД. Это большая установка, в конце года мы её должны собрать на месте старой Т-15 в этом здании . Ту мы разобрали, строим новую на её фундаменте», — сказал научный руководитель Курчатовского комплекса термоядерной энергетики и плазменных технологий Петр Хвостенко. Новый реактор соберут к концу 2018 года, физический пуск запланирован на 2020 год. На нём будут отрабатывать технологии, «которые необходимы для термоядерного источника нейтронов именно для гибридного реактора».

Воспользуйтесь нашими услугами

Т-15 в своё время он стал одним из первых в мире прототипов промышленного термоядерного реактора, который использует сверхпроводящие магниты для управления плазмой. Реактор с стандартной тороидной камерой, большим радиусом 2,43 м и малым радиусом 0,7 м продемонстрировал, что советская физика идёт по правильному пути к получению термояда.

Токамак Т-15 — тороидальная установка для магнитного удержания плазмы. Разработана Васмилием Андреевичем Глухих (ныне академик РАН)

Т-15 получил первую термоядерную плазму в 1988 году и продолжал работу до 1995 года.

Управляемый термоядерный синтез — настоящая чаша святого Грааля для энергетики. Если физики научатся удерживать плазму в магнитной ловушке и тратить на магниты меньше энергии, чем выделяется в результате реакции, то человечество получит практически неисчерпаемый источник чистой энергии, а об ископаемом топливе из углеводородов и урана можно будет забыть, тем более что их запасов надолго не хватит. По оценкам учёных, запасов урана-235 человечеству хватит всего лишь на 50−70 лет, так что строить новые АЭС обычного типа сейчас нерационально.

Некоторым специалистам очевидно, что будущее — за термоядерным синтезом. Попытки создать рабочий термоядерный реактор предпринимались неоднократно. С 2007 года идёт строительство ИТЭР (Международного экспериментального термоядерного реактора), но проект значительно выбился из сметы в $5 млрд, а сроки сдачи неоднократно переносились.

СССР является одним из организаторов проекта ИТЭР, сейчас российские научные организации отвечают за изготовление 25 систем. Центром интеграции для зарубежных участников проекта ИТЭР является Институт ядерной физики (ИЯФ) Сибирского отделения РАН, на его территории соберут и испытают элементы из компонентов, изготовленных в разных странах. Первую плазму на ИТЭР планируется получить в 2025 году.

Первый в мире токамак Т-1 построен в 1954 году

Проводятся и другие эксперименты с термоядерным синтезом. Например, в Массачусетском технологическом институте совместно с компанией Commonwealth Fusion Systems приступили к строительству действующего прототипа термоядерного реактора со сверхмощными магнитами гораздо меньшего размера (используется сверхпроводник YBCO, оксид иттрия-бария-меди). Для начала MIT собирается за 10 лет изготовить прототип реактора на 100 МВт, имеющего размер всего 1/65 от ИТЭР. Он будет выдавать энергию импульсами по 10 секунд — тепло не планируется преобразовывать в электричество, но учёные рассчитывают, что выдаваемая энергия будет примерно вдвое больше, чем затраты на нагрев плазмы. Затем начнётся строительство реактора на 200 МВт с генератором, отдающим электроэнергию в общую сеть. Если проект завершится успешно в заявленный срок 15 лет, то это может быть первая в мире реально работающая термоядерная электростанция.

Вместе с возобновляемой энергетикой термоядерная энергия — самая реальная надежда человечества обеспечить растущие энергетические потребности.
В мире сейчас более десятка экспериментальных проектов:

Гибридный термоядерный реактор Т-15МД

Гибридный термоядерный реактор получает энергию и от распада атома (как обычная атомная станция) и от синтеза, то есть он сочетает в себе принципы ядерной и термоядерной энергетики

Гибридный токамак Т-15МД будет работать на тории, который стоит дешевле, а запасы его больше, чем у урана. Основное его отличие от термоядерного реактора заключается в том, что для получения энергии гибридному реактору не нужно получать сверхвысокие температуры.

Согласно техническому описанию, установка Т-15МД будет иметь вытянутую конфигурацию плазменного шнура с аспектным отношением 2.2, током плазмы 2 МА в тороидальном магнитном поле 2 T с квазистационарной системой дополнительного нагрева суммарной мощностью до 20 МВт. Установка рассчитана на длительность импульса до 30 с. В настоящее время работы по модернизации установки Т-15МД переходят в фазу подготовки к физическому пуску токамака.

Анатолий Ализар

Воспользуйтесь нашими услугами

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!

Игнитор

Игнитор (IGNITOR) — проект по созданию исследовательского термоядерного реактора с магнитным удержанием плазмы (magnetic confinement fusion), разработанный лабораторией ENEA из города Фраскати. Технически является вариантом токамака с сильным магнитным полем и исключительно омическим нагревом плазмы.

Проект был начат в 1977 профессором Бруно Копи (MIT), на основании наработок 1970-х из MIT — Alcator, Alcator C/C-Mod, FT/FTU. По сравнению с ITER, Игнитор меньше и дешевле: ИТЭР имеет массу около 19 тысяч тонн, тогда как IGNITOR — только 500 тонн. Планируется, что IGNITOR сможет производить около 90-100 МВт термоядерной энергии.

В 2012 году планировалось разместить реактор такого типа на площадке советского токамака с сильным полем (ТСП) ТРИНИТИ, Троицк, с сроками ввода в эксплуатацию в 2016—2017 годах. Проект реализуется при участии НИЦ КИ и Росатома. Проект неофициально оценивался в 250 миллионов евро — 16 млрд рублей. По данным советника директора ОИЯИ Сергея Николаевича Мазуренко, Велихов сообщал, что Италия выделила на проект 140 миллионов евро.

Имеются некоторые сомнения в реализуемости проекта Игнитор.

Дорога к Солнцу — всемирная стройка термоядерного реактора во Франции

«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.

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.

Первый токамак в мире. Советский Т-1. 1954 год

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.

Монтаж Т-15. 1980-е годы

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

В 1985 году в Женеве состоялась первая за долгие годы личная встреча глав СССР и США. До этого холодная война достигла своего пика: сверхдержавы бойкотировали Олимпиады, наращивали ядерный потенциал и на какие-либо переговоры идти не собирались. Этот саммит двух стран на нейтральной территории примечателен и другим важным обстоятельством. Во время него генсек ЦК КПСС Михаил Горбачев предложил реализовать совместный международный проект по развитию термоядерной энергетики в мирных целях.

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.

1. Вакуумная камера, где и обитает плазма. 2. Инжектор нейтрального луча и радиочастотный нагрев плазмы до 150 млн градусов. 3. Сверхпроводящие магниты, которые обуздают плазму. 4. Бланкеты, защищающие камеру и магниты от бомбардировки нейтронами и нагрева. 5. Дивертор, который отводит тепло и продукты термоядерной реакции. 6. Инструменты диагностики для изучения физики плазмы. Включают манометры и нейтронные камеры. 7. Криостат — огромный термос с глубоким вакуумом, который защищает от нагрева магниты и вакуумную камеру

А вот так выглядит «маленькая» вакуумная камера с моделями работников внутри. Она 11,4 метра в высоту, а вместе с бланкетами и дивертором будет весить 8,5 тыс. тонн

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.

Днище. Одна третья часть основания криостата. Всего этот «термос» будет состоять из 54 элементов

А так выглядит криостат на рендере. Его производство поручено Индии. Внутри «термоса» соберут реактор

Криостат уже собирают. Тут, например, вы можете видеть окошко, через которое в реактор будут забрасывать частицы для нагрева плазмы

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.

Первый корпус тороидальной катушки. Первый из 18 гигантских магнитов. Одну половину сделали в Японии, другую — в Корее

18 гигантских магнитов D-образной формы, расставленные по кругу так, чтобы образовать непроницаемую магнитную стену. Внутри каждого из них заключены 134 витка сверхпроводящего кабеля

Каждая такая катушка весит примерно 310 тонн

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.

Фото: ITER / EJF RICHE

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.

Палки для селфи в каталоге Onliner.by