Cea mai ambițioasă construcție științifică a timpului nostru. Vom înveli Soarele într-o gogoașă. Reactor de fuziune: ITER

Cea mai ambițioasă construcție științifică a timpului nostru. Cum se construiește reactorul de fuziune ITER în Franța

Fuziunea termonucleară controlată este visul albastru al fizicienilor și al companiilor energetice, pe care îl prețuiesc de zeci de ani. Punerea în cușcă a unui Soare artificial este o idee grozavă. „Dar problema este că nu știm cum să creăm o astfel de cutie”,- a spus laureat Nobel Pierre Gilles de Gennes în 1991. Cu toate acestea, până la jumătatea anului 2018 știm deja cum. Și chiar construim. Cele mai bune minți din lume lucrează la proiectul reactorului termonuclear experimental internațional ITER - cel mai ambițios și mai scump experiment al științei moderne.

Un astfel de reactor costă de cinci ori mai mult decât Large Hadron Collider. Sute de oameni de știință din întreaga lume lucrează la proiect. Finanțarea sa ar putea depăși cu ușurință 19 miliarde de euro, iar prima plasmă va fi eliberată în reactor abia în decembrie 2025. Și în ciuda întârzierilor constante, a dificultăților tehnologice și a finanțării insuficiente din partea țărilor participante individuale, se construiește cea mai mare „mașină de mișcare perpetuă” termonucleară din lume. Are mult mai multe avantaje decât dezavantaje. Care? Începem povestea despre cel mai ambițios proiect de construcție științifică al timpului nostru cu teorie.

Ce este un tokamak?

Sub influența temperaturilor enorme și a gravitației, fuziunea termonucleară are loc în adâncurile Soarelui nostru și ale altor stele. Nucleele de hidrogen se ciocnesc, formează atomi de heliu mai grei și, în același timp, eliberează neutroni și o cantitate mare energie.

Știința modernă a ajuns la concluzia că la cea mai scăzută temperatură inițială cel mai mare număr energia este produsă prin reacția dintre izotopii hidrogenului – deuteriu și tritiu. Dar pentru aceasta sunt importante trei condiții: căldură(aproximativ 150 de milioane de grade Celsius), densitate mare a plasmei și timp mare de retenție a plasmei.

Cert este că nu vom putea crea o densitate atât de colosală precum cea a Soarelui. Tot ce rămâne este să încălziți gazul la starea de plasmă folosind temperaturi ultra-înalte. Dar niciun material nu poate rezista la contactul cu o plasmă atât de fierbinte. Pentru a face acest lucru, academicianul Andrei Saharov (la sugestia lui Oleg Lavrentyev) în anii 1950 a propus utilizarea camerelor toroidale (în formă de gogoașă goală) cu un câmp magnetic care să rețină plasma. Mai târziu a fost inventat termenul - tokamak.

Centralele moderne, care ard combustibili fosili, se convertesc putere mecanică(turbine de răsucire, de exemplu) în energie electrică. Tokamak-urile vor folosi energia de fuziune, absorbită sub formă de căldură de pereții dispozitivului, pentru a încălzi și a produce abur, care va învârti turbinele.

Primul tokamak din lume. T-1 sovietic. 1954

Tokamak-uri experimentale mici au fost construite în toată lumea. Și au demonstrat cu succes că o persoană poate crea plasmă la temperatură înaltă și o poate menține ceva timp condtitie stabila. Dar desenele industriale sunt încă departe.

Instalarea T-15. anii 1980

Avantajele și dezavantajele reactoarelor de fuziune

Reactoarele nucleare tipice funcționează cu zeci de tone de combustibil radioactiv (care se transformă în cele din urmă în zeci de tone de deșeuri radioactive), în timp ce un reactor de fuziune necesită doar sute de grame de tritiu și deuteriu. Primul poate fi produs chiar în reactor: neutronii eliberați în timpul sintezei vor afecta pereții reactorului cu impurități de litiu, din care apare tritiul. Rezervele de litiu vor dura mii de ani. De asemenea, nu va lipsi nici deuteriu - acesta este produs în lume în zeci de mii de tone pe an.

Un reactor de fuziune nu produce emisii de gaze cu efect de seră, ceea ce este tipic pentru combustibilii fosili. Iar produsul secundar sub formă de heliu-4 este un gaz inert inofensiv.

În plus, reactoarele termonucleare sunt sigure. În orice catastrofă, reacția termonucleară se va opri pur și simplu fără niciuna consecințe serioase pentru mediu sau personal, deoarece nu va exista nimic care să susțină reacția de sinteză: necesită prea multe condiții de seră.

Cu toate acestea, reactoarele termonucleare au și dezavantaje. În primul rând, aceasta este dificultatea banală de a începe o reacție autosusținută. Are nevoie de un vid profund. Sistemele complexe de izolare magnetică necesită bobine magnetice supraconductoare uriașe.

Și nu uitați de radiații. În ciuda unor stereotipuri despre inofensivitatea reactoarelor termonucleare, bombardarea împrejurimilor lor cu neutroni produși în timpul fuziunii nu poate fi anulată. Acest bombardament are ca rezultat radiații. Prin urmare, întreținerea reactorului trebuie efectuată de la distanță. Privind în viitor, să spunem că după lansare, roboții vor întreține direct tokamak-ul ITER.

În plus, tritiul radioactiv poate fi periculos dacă intră în organism. Adevărat, va fi suficient să aveți grijă de depozitarea corectă a acestuia și să creați bariere de siguranță moduri posibile distribuirea acestuia în caz de accident. În plus, timpul de înjumătățire al tritiului este de 12 ani.

Când a fost pusă fundamentul minim necesar al teoriei, puteți trece la eroul articolului.

Cel mai ambițios proiect al vremurilor noastre

În 1985, la Geneva a avut loc prima întâlnire personală a șefilor URSS și SUA în mulți ani. Înainte de aceasta, Războiul Rece a atins apogeul: superputerile au boicotat Jocurile Olimpice, și-au construit potențialul nuclear și nu aveau de gând să intre în negocieri. Acest summit al celor două țări pe teritoriu neutru este remarcabil pentru o altă circumstanță importantă. În cadrul acestuia, secretarul general al Comitetului Central al PCUS, Mihail Gorbaciov, a propus implementarea unui proiect internațional comun de dezvoltare a energiei termonucleare în scopuri pașnice.

Un an mai târziu, sa ajuns la un acord asupra proiectului între oamenii de știință americani, sovietici, europeni și japonezi și a început dezvoltarea conceptului de proiect al marelui complex termonuclear ITER. Dezvoltarea detaliilor de inginerie a fost întârziată, Statele Unite au continuat să plece și apoi s-au întors la proiect, China i s-a alăturat în cele din urmă, Coreea de Sudși India. Participanții și-au împărțit responsabilitățile pentru finanțare și munca directă, iar în 2010 a început, în sfârșit, pregătirea gropii pentru fundația viitorului complex. Au decis să o construiască în sudul Franței, lângă orașul Aix-en-Provence.

Deci, ce este ITER? Acesta este un experiment științific uriaș și un proiect energetic ambițios pentru a construi cel mai mare tokamak din lume. Construcția trebuie să dovedească posibilitatea utilizării comerciale a unui reactor de fuziune, precum și să rezolve problemele fizice și tehnologice emergente pe parcurs.

În ce constă reactorul ITER?

Un tokamak este o cameră de vid toroidală cu bobine magnetice și un criostat care cântărește 23 de mii de tone. După cum este deja clar din definiție, avem o cameră. Cameră de vid adâncă. În cazul ITER, acesta va fi de 850 de metri cubi de volum al camerei libere, în care la start vor fi doar 0,1 grame de amestec de deuteriu și tritiu.

1. Cameră cu vid, unde trăiește plasma. 2. Injector cu fascicul neutru și încălzire cu radiofrecvență a plasmei până la 150 de milioane de grade. 3. Magneți supraconductori care captează plasma. 4. Pături care protejează camera și magneții de bombardarea cu neutroni și încălzire. 5. Deviator, care elimină căldura și produșii de reacție termonucleară. 6. Instrumente de diagnosticare pentru studiul fizicii plasmei. Include manometre și camere de neutroni. 7. Criostat - un termos imens cu un vid profund care protejează magneții și camera de vid de încălzire

Și așa arată o cameră de vid „mică” cu modele de muncitori înăuntru. Are 11,4 metri înălțime, iar împreună cu pături și divertor va cântări 8,5 mii de tone

Pe pereții interiori ai camerei există module speciale numite pături. Apa circulă în interiorul lor. Neutronii liberi care scapă din plasmă cad în aceste pături și sunt încetiniți de apă. Ce îl face să se încălzească? Păturile în sine protejează restul colosului de radiațiile termice, de raze X și de radiația neutronică deja menționată a plasmei.

Un astfel de sistem este necesar pentru a prelungi durata de viață a reactorului. Fiecare pătură cântărește aproximativ 4,5 tone, ele vor fi înlocuite cu un braț robotic aproximativ la fiecare 5-10 ani, deoarece această primă linie de apărare va fi supusă evaporării și radiațiilor neutronice.

Dar asta nu este tot. Camera este conectată la echipamente în cameră, termocupluri, accelerometre, cele 440 de blocuri deja menționate ale unui sistem de pătură, sisteme de răcire, un bloc de ecranare, un divertor, un sistem magnetic de 48 de elemente, încălzitoare cu plasmă de înaltă frecvență, un atom neutru. injector etc. Și toate acestea sunt situate în interiorul unui criostat imens de 30 de metri înălțime, având același diametru și volum de 16 mii de metri cubi. Criostatul garantează vacuum profund și temperaturi ultra-reci pentru camera tokamak și magneții supraconductori, care sunt răciți cu heliu lichid la o temperatură de -269 grade Celsius.

Fund. O treime din baza criostatului. În total, acest „termos” va fi format din 54 de elemente

Și așa arată criostatul în randare. Producția sa este încredințată Indiei. Un reactor va fi asamblat în interiorul „termosului”

Criostatul este deja asamblat. Aici, de exemplu, puteți vedea o fereastră prin care particulele vor fi aruncate în reactor pentru a încălzi plasma.

Producția tuturor acestor echipamente este împărțită între țările participante. De exemplu, lucrează la unele dintre păturile din Rusia, la corpul criostatului din India și la segmente ale camerei cu vid din Europa și Coreea.

Dar acesta nu este în niciun caz un proces rapid. În plus, designerii nu au loc de eroare. Echipa ITER modelează mai întâi sarcinile și cerințele pentru elementele structurale, acestea sunt testate pe bancuri (de exemplu, sub influența pistoalelor cu plasmă, ca un divertor), îmbunătățite și modificate, asamblate prototipuri și testate din nou înainte de eliberarea elementului final.

Primul corp al bobinei toroidale. Primul dintre cei 18 magneți giganți. O jumătate a fost făcută în Japonia, cealaltă în Coreea

18 magneți giganți în formă de D, așezat în cerc pentru a forma un perete magnetic impenetrabil. În fiecare dintre ele sunt 134 de spire de cablu supraconductor.

Fiecare astfel de bobină cântărește aproximativ 310 de tone

Dar a le pune împreună este un lucru. Și este cu totul altceva să menții toate acestea. Din cauza nivelurilor ridicate de radiație, accesul la reactor este interzis. O întreagă familie de sisteme robotizate a fost dezvoltată pentru a-l deservi. Unele vor schimba păturile și casetele deviatoare (cu o greutate de până la 10 tone), altele vor fi controlate de la distanță pentru a elimina accidentele, altele vor fi bazate în buzunarele unei camere cu vid cu camere HD și scanere laser pentru inspecție rapidă. Și toate acestea trebuie făcute în vid, într-un spațiu îngust, cu mare precizie și în interacțiune clară cu toate sistemele. Sarcina este mai dificilă decât repararea ISS.ITER Tokamak va fi primul reactor termonuclear care va genera mai multă energie decât este necesară pentru a încălzi plasma însăși. În plus, îl va putea menține într-o stare stabilă mult mai mult acum instalatii existente. Oamenii de știință spun că tocmai de aceea este nevoie de un proiect atât de mare.

Cu ajutorul unui astfel de reactor, experții vor face o punte între micile instalații experimentale de astăzi și centralele de fuziune ale viitorului. De exemplu, recordul de energie termonucleară a fost stabilit în 1997 la un tokamak din Marea Britanie - 16 MW cu 24 MW consumați, în timp ce ITER a fost proiectat cu ochiul la 500 MW de putere termonucleară de la 50 MW de energie termică de intrare.

Tokamak-ul va testa tehnologiile de încălzire, control, diagnosticare, criogenie și întreținere la distanță, adică toate tehnicile necesare unui prototip industrial de reactor termonuclear.

Producția globală de tritiu nu va fi suficientă pentru centralele energetice ale viitorului. Prin urmare, ITER va dezvolta și tehnologia unei pături multiplicatoare care conține litiu. Din el va fi sintetizat tritiul sub influența neutronilor termonucleari.

Totuși, nu trebuie să uităm că acesta, deși unul scump, este un experiment. Tokamak nu va fi echipat cu turbine sau alte sisteme pentru transformarea căldurii în energie electrică. Adică, nu va exista evacuare comercială sub formă de generare directă de energie. De ce? Pentru că acest lucru nu ar face decât să complice proiectul din punct de vedere ingineresc și să-l facă și mai scump.

Schema de finanțare este destul de confuză. La etapa de construcție, crearea reactorului și a altor sisteme ale complexului, aproximativ 45% din costuri sunt suportate de țările UE, restul participanților - 9% fiecare. Cu toate acestea, majoritatea contribuțiilor sunt „în natură”. Majoritatea componentelor sunt furnizate către ITER direct din țările participante.

Aceștia ajung în Franța pe mare, iar din port până la șantier sunt livrați de-a lungul unui drum special transformat de guvernul francez. Țara a cheltuit 110 milioane de euro și 4 ani de muncă pe cei 104 km ai Căii ITER. Traseul a fost lărgit și consolidat. Cert este că până în 2021 vor trece prin el 250 de convoai cu mărfuri uriașe. Cele mai grele părți ajung la 900 de tone, cea mai înaltă - 10 metri, cea mai lungă - 33 de metri.

ITER nu a fost încă pus în funcțiune. Cu toate acestea, există deja un proiect pentru o centrală de fuziune nucleară DEMO, al cărui scop este să demonstreze atractivitatea utilizării comerciale a tehnologiei. Acest complex va trebui să genereze continuu (și nu puls, ca ITER) 2 GW de energie.

Momentul noului proiect global depinde de succesul ITER, dar conform planului din 2012, prima lansare a DEMO va avea loc nu mai devreme de 2044.

Omenirea se apropie treptat de granița epuizării ireversibile a resurselor de hidrocarburi ale Pământului. Am extras petrol, gaze și cărbune din intestinele planetei de aproape două secole și este deja clar că rezervele lor se epuizează cu o viteză extraordinară. Țările lider ale lumii se gândesc de mult timp la crearea unei noi surse de energie, prietenoasă cu mediul, sigură din punct de vedere al funcționării, cu rezerve enorme de combustibil.

Reactorul de fuziune

Astăzi se vorbește mult despre utilizarea așa-numitelor tipuri alternative energie - surse regenerabile sub formă de energie fotovoltaică, energie eoliană și hidroenergie. Este evident că, datorită proprietăților lor, aceste direcții pot acționa doar ca surse auxiliare de alimentare cu energie.

Ca o perspectivă pe termen lung pentru umanitate, poate fi luată în considerare doar energia bazată pe reacții nucleare.

Pe de o parte, tot mai multe state își manifestă interesul pentru construirea de reactoare nucleare pe teritoriul lor. Dar totuși, o problemă presantă pentru energia nucleară este procesarea și eliminarea deșeurilor radioactive, iar acest lucru afectează indicatorii economici și de mediu. La mijlocul secolului al XX-lea, cei mai importanti fizicieni ai lumii, în căutarea unor noi tipuri de energie, s-au îndreptat către sursa vieții de pe Pământ - Soarele, în adâncul căruia, la o temperatură de aproximativ 20 de milioane de grade, reacții de sinteza (fuziunea) elementelor ușoare au loc cu eliberarea de energie colosală.

Specialiștii interni s-au ocupat cel mai bine de sarcina de a dezvolta o facilitate pentru implementarea reacțiilor de fuziune nucleară în condiții terestre. Cunoștințele și experiența în domeniul fuziunii termonucleare controlate (CTF), obținute în Rusia, au stat la baza proiectului, care este, fără exagerare, speranța energetică a umanității - Reactorul Termonuclear Experimental Internațional (ITER), care este în curs de dezvoltare. construit la Cadarache (Franţa).

Istoria fuziunii termonucleare

Prima cercetare termonucleară a început în țările care lucrau la programele lor de apărare atomică. Acest lucru nu este surprinzător, pentru că în zorii erei atomice scopul principal Apariția reactoarelor cu plasmă cu deuteriu a fost studiul proceselor fizice în plasmă fierbinte, cunoașterea cărora a fost necesară, printre altele, pentru crearea armelor termonucleare. Conform datelor desecretizate, URSS și SUA au început aproape simultan în anii 1950. lucrează pe UTS. Dar, în același timp, există dovezi istorice că încă din 1932, vechiul revoluționar și prieten apropiat al liderului proletariatului mondial Nikolai Buharin, care la acea vreme ocupa funcția de președinte al comitetului Consiliului Suprem Economic și urma dezvoltarea științei sovietice, a propus lansarea unui proiect în țară pentru a studia reacțiile termonucleare controlate.

Istoria proiectului termonuclear sovietic nu este lipsită de un fapt amuzant. Viitorul celebru academician și creatorul bombei cu hidrogen, Andrei Dmitrievich Saharov, a fost inspirat de ideea izolației termice magnetice a plasmei de înaltă temperatură dintr-o scrisoare a unui soldat al armatei sovietice. În 1950, sergentul Oleg Lavrentyev, care a servit pe Sahalin, a trimis Comitetului Central al Întregii Uniri. petrecere comunista o scrisoare în care a propus să folosească în bombă cu hidrogen deuteriră de litiu-6 în loc de deuteriu și tritiu lichefiat și, de asemenea, creează un sistem cu izolare electrostatică a plasmei fierbinți pentru fuziunea termonucleară controlată. Scrisoarea a fost revizuită de tânărul om de știință Andrei Saharov, care a scris în recenzia sa că „consideră că este necesar să aibă o discuție detaliată despre proiectul tovarășului Lavrentiev”.

Deja în octombrie 1950, Andrei Saharov și colegul său Igor Tamm au făcut primele estimări ale unui reactor termonuclear magnetic (MTR). Prima instalație toroidală cu un câmp magnetic longitudinal puternic, bazată pe ideile lui I. Tamm și A. Saharov, a fost construită în 1955 în LIPAN. Se numea TMP - un torus cu un câmp magnetic. Instalațiile ulterioare au fost deja numite TOKAMAK, după combinarea silabelor inițiale din sintagma „BOBINA MAGNETICĂ TORIDAL CHAMBER”. În versiunea sa clasică, un tokamak este o cameră toroidală în formă de gogoașă plasată într-un câmp magnetic toroidal. Din 1955 până în 1966 La Institutul Kurchatov au fost construite 8 astfel de instalații, pe care au fost efectuate o mulțime de studii diferite. Dacă înainte de 1969, un tokamak a fost construit în afara URSS doar în Australia, atunci în anii următori au fost construite în 29 de țări, inclusiv SUA, Japonia, țările europene, India, China, Canada, Libia, Egipt. În total, aproximativ 300 de tokamak-uri au fost construite în lume până în prezent, inclusiv 31 în URSS și Rusia, 30 în SUA, 32 în Europa și 27 în Japonia. De fapt, trei țări - URSS, Marea Britanie și SUA - au fost implicate într-o competiție nespusă pentru a vedea cine va fi primul care va valorifica plasma și va începe efectiv să producă energie „din apă”.

Cel mai important avantaj al unui reactor termonuclear este reducerea riscului biologic al radiațiilor de aproximativ o mie de ori în comparație cu toate reactoarele nucleare moderne.

Un reactor termonuclear nu emite CO2 și nu produce deșeuri radioactive „grele”. Acest reactor poate fi amplasat oriunde, oriunde.

Un pas de o jumătate de secol

În 1985, academicianul Evgeniy Velikhov, în numele URSS, a propus ca oameni de știință din Europa, SUA și Japonia să lucreze împreună pentru a crea un reactor termonuclear, iar deja în 1986 la Geneva s-a ajuns la un acord privind proiectarea instalației, care mai târziu a primit numele ITER. În 1992, partenerii au semnat un acord cvadripartit pentru a dezvolta un proiect de inginerie pentru reactor. Prima etapă de construcție este programată să fie finalizată până în 2020, când este planificată să primească prima plasmă. În 2011, a început construcția reală pe șantierul ITER.

Designul ITER urmează clasicul tokamak rusesc, dezvoltat în anii 1960. Se preconizează ca în prima etapă reactorul să funcționeze în regim de impulsuri cu o putere de reacții termonucleare de 400–500 MW, în a doua etapă să fie testată funcționarea continuă a reactorului, precum și sistemul de reproducere a tritiului. .

Nu degeaba reactorul ITER este numit viitorul energetic al umanității. În primul rând, acesta este cel mai mare proiect științific din lume, deoarece în Franța este construit de aproape întreaga lume: participă UE + Elveția, China, India, Japonia, Coreea de Sud, Rusia și SUA. Acordul privind construcția instalației a fost semnat în 2006. Țările europene contribuie cu aproximativ 50% din finanțarea proiectului, Rusia reprezintă aproximativ 10% din suma totală, care va fi investită sub formă de echipamente de înaltă tehnologie. Dar cea mai importantă contribuție a Rusiei este însăși tehnologia tokamak, care a stat la baza reactorului ITER.

În al doilea rând, aceasta va fi prima încercare la scară largă de a folosi reacția termonucleară care are loc în Soare pentru a genera electricitate. În al treilea rând, această lucrare științifică ar trebui să aducă rezultate foarte practice, iar până la sfârșitul secolului lumea se așteaptă la apariția primului prototip al unei centrale termonucleare comerciale.

Oamenii de știință presupun că prima plasmă de la reactorul termonuclear experimental internațional va fi produsă în decembrie 2025.

De ce, literalmente, întreaga comunitate științifică mondială a început să construiască un astfel de reactor? Cert este că multe tehnologii care sunt planificate a fi utilizate în construcția ITER nu aparțin tuturor țărilor simultan. Un stat, chiar și cel mai dezvoltat în termeni științifici și tehnici, nu poate avea imediat o sută de tehnologii de cel mai înalt nivel mondial în toate domeniile de tehnologie utilizate într-un proiect atât de înaltă și inovator precum un reactor termonuclear. Dar ITER constă din sute de tehnologii similare.

Rusia depășește nivelul global în multe tehnologii de fuziune termonucleară. Dar, de exemplu, oamenii de știință nucleari japonezi au și competențe unice în acest domeniu, care sunt destul de aplicabile în ITER.

Prin urmare, chiar la începutul proiectului, țările partenere au ajuns la acorduri cu privire la cine și ce va fi furnizat site-ului și că aceasta nu ar trebui să fie doar cooperare în inginerie, ci o oportunitate pentru fiecare dintre parteneri de a primi noi tehnologii. de la alți participanți, astfel încât pe viitor să le dezvoltați singur.

Andrey Retinger, jurnalist internațional

Recent, Institutul de Fizică și Tehnologie din Moscova a găzduit o prezentare rusă a proiectului ITER, în cadrul căreia este planificată crearea unui reactor termonuclear care funcționează pe principiul tokamak. Un grup de oameni de știință din Rusia a vorbit despre proiectul internațional și despre participarea fizicienilor ruși la crearea acestui obiect. Lenta.ru a participat la prezentarea ITER și a vorbit cu unul dintre participanții la proiect.

ITER (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor) este un proiect de reactor termonuclear care permite demonstrarea și cercetarea tehnologiilor termonucleare pentru utilizarea ulterioară a acestora în scopuri pașnice și comerciale. Creatorii proiectului cred că fuziunea termonucleară controlată poate deveni energia viitorului și poate servi ca alternativă la gazul, petrolul și cărbunele modern. Cercetătorii notează siguranța, compatibilitatea cu mediul și accesibilitatea tehnologiei ITER în comparație cu energia convențională. Complexitatea proiectului este comparabilă cu Large Hadron Collider; Instalația reactorului include peste zece milioane de elemente structurale.

Despre ITER

Magneții toroidali Tokamak necesită 80 de mii de kilometri de filamente supraconductoare; greutatea lor totală ajunge la 400 de tone. Reactorul în sine va cântări aproximativ 23 de mii de tone. Pentru comparație, greutatea Turnului Eiffel din Paris este de doar 7,3 mii de tone. Volumul de plasmă din tokamak va ajunge la 840 de metri cubi, în timp ce, de exemplu, în cel mai mare reactor de acest tip care funcționează în Marea Britanie - JET - volumul este egal cu o sută de metri cubi.

Înălțimea tokamak-ului va fi de 73 de metri, dintre care 60 de metri vor fi deasupra solului și 13 metri sub acesta. Pentru comparație, înălțimea Turnului Spasskaya al Kremlinului din Moscova este de 71 de metri. Platforma principală a reactorului va acoperi o suprafață de 42 de hectare, ceea ce este comparabil cu suprafața de 60 de terenuri de fotbal. Temperatura din plasma tokamak va ajunge la 150 de milioane de grade Celsius, ceea ce este de zece ori mai mare decât temperatura din centrul Soarelui.

În construcția ITER în a doua jumătate a anului 2010, este planificat să implice până la cinci mii de oameni simultan - aceasta va include atât muncitori și ingineri, cât și personal administrativ. Multe dintre componentele ITER vor fi transportate din portul de lângă Marea Mediterană de-a lungul unui drum special construit de aproximativ 104 kilometri lungime. În special, de-a lungul acestuia va fi transportat cel mai greu fragment al instalației, a cărui masă va fi mai mare de 900 de tone, iar lungimea va fi de aproximativ zece metri. Peste 2,5 milioane de metri cubi de pământ vor fi îndepărtați de pe șantierul instalației ITER.

Costurile totale pentru proiectare și lucrari de constructie sunt estimate la 13 miliarde de euro. Aceste fonduri sunt alocate de șapte participanți principali la proiect, reprezentând interesele a 35 de țări. Spre comparație, costurile totale de construire și întreținere a Marelui Colizător de Hadroni sunt aproape jumătate mai mari, iar construirea și întreținerea Stației Spațiale Internaționale costă de aproape o ori și jumătate mai mult.

Tokamak

Astăzi în lume există două proiecte promițătoare de reactoare termonucleare: tokamak ( Acea roidală ka măsura cu ma putred La atushki) și stellarator. În ambele instalații, plasma este conținută de un câmp magnetic, dar într-un tokamak este sub forma unui cordon toroidal prin care trece un curent electric, în timp ce într-un stellarator câmpul magnetic este indus de bobine externe. În reactoarele termonucleare au loc reacții de sinteză a elementelor grele din cele ușoare (heliu din izotopi de hidrogen - deuteriu și tritiu), spre deosebire de reactoarele convenționale, unde sunt inițiate procesele de descompunere a nucleelor grele în altele mai ușoare.

Foto: Centrul Național de Cercetare „Institutul Kurchatov” / nrcki.ru

Curentul electric din tokamak este folosit și pentru a încălzi inițial plasma la o temperatură de aproximativ 30 de milioane de grade Celsius; încălzirea ulterioară este efectuată de dispozitive speciale.

Proiectarea teoretică a unui tokamak a fost propusă în 1951 de către fizicienii sovietici Andrei Saharov și Igor Tamm, iar prima instalație a fost construită în URSS în 1954. Cu toate acestea, oamenii de știință nu au reușit să mențină plasma într-o stare de echilibru pentru o lungă perioadă de timp, iar până la mijlocul anilor 1960 lumea era convinsă că fuziunea termonucleară controlată pe baza unui tokamak era imposibilă.

Dar doar trei ani mai târziu, la instalația T-3 de la Institutul de Energie Atomică Kurchatov, sub conducerea lui Lev Artsimovici, a fost posibilă încălzirea plasmei la o temperatură de peste cinci milioane de grade Celsius și menținerea ei pentru o scurtă perioadă de timp. timp; Oamenii de știință din Marea Britanie care au fost prezenți la experiment au înregistrat o temperatură de aproximativ zece milioane de grade pe echipamentul lor. După aceasta, în lume a început un adevărat boom tokamak, astfel că în lume au fost construite aproximativ 300 de instalații, dintre care cele mai mari se află în Europa, Japonia, SUA și Rusia.

Imagine: Rfassbind/wikipedia.org

Managementul ITER

Care este baza pentru încrederea că ITER va fi operațional în 5-10 ani? Despre ce evoluții practice și teoretice?

Pe partea rusă, îndeplinim programul de lucru declarat și nu îl vom încălca. Din păcate, vedem unele întârzieri în lucrările efectuate de alții, în principal în Europa; Există o întârziere parțială în America și există tendința ca proiectul să fie oarecum întârziat. Reținut, dar nu oprit. Există încredere că va funcționa. Conceptul proiectului în sine este complet teoretic și practic calculat și de încredere, așa că cred că va funcționa. Dacă va da pe deplin rezultatele declarate... vom aștepta și vom vedea.

Este proiectul mai mult un proiect de cercetare?

Cu siguranță. Rezultatul declarat nu este rezultatul obținut. Daca va fi primit integral, voi fi extrem de fericit.

Ce tehnologii noi au apărut, apar sau vor apărea în proiectul ITER?

Proiectul ITER nu este doar un super-complex, ci și un proiect super-stresant. Stres în ceea ce privește încărcătura energetică, condițiile de funcționare a anumitor elemente, inclusiv sistemele noastre. Prin urmare, noi tehnologii pur și simplu trebuie să se nască în acest proiect.

Există un exemplu?

Spaţiu. De exemplu, detectoarele noastre de diamante. Am discutat despre posibilitatea de a folosi detectoarele noastre de diamante pe camioanele spațiale, care sunt vehicule nucleare care transportă anumite obiecte precum sateliți sau stații de pe orbită pe orbită. Există un astfel de proiect pentru un camion spațial. Deoarece acesta este un dispozitiv cu un reactor nuclear la bord, condițiile complexe de operare necesită analiză și control, astfel încât detectorii noștri ar putea face acest lucru cu ușurință. În prezent, tema creării unor astfel de diagnostice nu este încă finanțată. Dacă este creat, poate fi aplicat, iar atunci nu va fi nevoie să investești bani în el în etapa de dezvoltare, ci doar în etapa de dezvoltare și implementare.

Care este ponderea dezvoltărilor rusești moderne din anii 2000 și 1990 în comparație cu evoluțiile sovietice și occidentale?

Ponderea contribuției științifice a Rusiei la ITER în comparație cu cea globală este foarte mare. Nu știu exact, dar este foarte semnificativ. Este în mod clar nu mai puțin decât procentul Rusiei de participare financiară la proiect, deoarece multe alte echipe au un numar mare de Ruși plecați în străinătate pentru a lucra în alte institute. În Japonia și America, peste tot, comunicăm și lucrăm cu ei foarte bine, unii dintre ei reprezintă Europa, alții reprezintă America. În plus, există și școli științifice acolo. Prin urmare, despre dacă dezvoltăm mai mult sau mai mult ceea ce am făcut înainte... Unul dintre mari a spus că „stăm pe umerii titanilor”, prin urmare baza care a fost dezvoltată în timpul sovietic este incontestabil mare și fără ea suntem nimic din ce nu am putut. Dar chiar și în acest moment nu stăm pe loc, ne mișcăm.

Ce face mai exact grupul tău la ITER?

Am un sector în departament. Departamentul dezvoltă mai multe diagnostice, sectorul nostru dezvoltă în mod specific camera de neutroni verticală, diagnosticarea neutronilor ITER și decide cerc mare sarcini de la proiectare până la producție și, de asemenea, desfășoară activități de cercetare conexe legate de dezvoltarea, în special, a detectoarelor de diamante. Detectorul de diamant este un dispozitiv unic, creat inițial în laboratorul nostru. Folosit anterior în multe instalații termonucleare, este acum folosit destul de pe scară largă de multe laboratoare din America până în Japonia; ei, să zicem, ne-au urmat, dar noi continuăm să rămânem în frunte. Acum facem detectoare de diamante și urmează să ajungem la nivelul producției industriale (producție la scară mică).

În ce industrii pot fi utilizați acești detectoare?

În acest caz, acestea sunt cercetări termonucleare; în viitor, presupunem că vor fi solicitate în energia nucleară.

Ce fac mai exact detectoarele, ce măsoară?

Neutroni. Nu există un produs mai valoros decât neutronul. Tu și cu mine suntem formați și din neutroni.

Ce caracteristici ale neutronilor măsoară ei?

Spectral. În primul rând, sarcina imediată care este rezolvată la ITER este măsurarea spectrelor de energie neutronică. În plus, ei monitorizează numărul și energia neutronilor. A doua sarcină suplimentară se referă la energia nucleară: avem dezvoltări paralele care pot măsura și neutronii termici, care stau la baza reactoarelor nucleare. Aceasta este o sarcină secundară pentru noi, dar este și în curs de dezvoltare, adică putem lucra aici și, în același timp, facem dezvoltări care pot fi aplicate cu destul de mult succes în energia nucleară.

Ce metode folosiți în cercetarea dumneavoastră: teoretică, practică, modelare pe computer?

Toată lumea: de la matematică complexă (metode ale fizicii matematice) și modelare matematică până la experimente. Toate diferitele tipuri de calcule pe care le efectuăm sunt confirmate și verificate prin experimente, deoarece avem direct un laborator experimental cu mai multe generatoare de neutroni în funcțiune, pe care testăm sistemele pe care noi înșine le dezvoltăm.

Aveți un reactor funcțional în laboratorul dvs.?

Nu un reactor, ci un generator de neutroni. Un generator de neutroni este, de fapt, un mini-model al reacțiilor termonucleare în cauză. Totul este la fel acolo, doar că procesul de acolo este ușor diferit. Funcționează pe principiul unui accelerator - este un fascicul de anumiți ioni care lovește o țintă. Adică, în cazul plasmei, avem un obiect fierbinte în care fiecare atom are energie mare, iar în cazul nostru, un ion special accelerat lovește o țintă saturată cu ioni similari. În consecință, are loc o reacție. Să spunem că acesta este o modalitate prin care poți face aceeași reacție de fuziune; Singurul lucru care a fost dovedit este că această metodă nu are o eficiență ridicată, adică nu veți obține o ieșire de energie pozitivă, dar veți obține reacția în sine - observăm direct această reacție și particulele și tot ceea ce intră în ea .

reactor de fuziune

În prezent în curs de dezvoltare. (80s) un dispozitiv pentru obținerea energiei prin reacții de sinteză a luminii la. nuclee care apar la temperaturi foarte ridicate (=108 K). De bază Cerința pe care trebuie să o îndeplinească reacțiile termonucleare este ca eliberarea de energie ca urmare a reacțiilor termonucleare să compenseze mai mult decât costurile cu energie din surse externe. surse pentru menținerea reacției.

Există două tipuri de T. r. Primul tip include TR, pentru a-Crimeea este necesar din exterior. surse numai pentru aprinderea fuziunilor termonucleare. reactii. Reacțiile ulterioare sunt susținute de energia eliberată în plasmă în timpul fuziunii. reacții; de exemplu, într-un amestec de deuteriu-tritiu, energia particulelor a formate în timpul reacțiilor este consumată pentru a menține o temperatură ridicată a plasmei. În regim de funcționare staționar T.r. energia transportată de particulele a compensează energia. pierderi din plasmă, în principal datorate conductivității termice a plasmei și radiațiilor. La acest tip de T. r. se aplică, de exemplu, .

La alt tip de T. r. Reactoarele includ reactoare în care energia eliberată sub formă de particule a nu este suficientă pentru a menține arderea reacțiilor, dar este necesară energie din surse externe. surse. Acest lucru se întâmplă în acele reactoare în care nivelurile de energie sunt ridicate. pierderi, de ex. capcană magnetică deschisă.

T.r. poate fi construit pe baza de sisteme cu magnetic. izolare cu plasmă, cum ar fi tokamak, deschis magnetic. capcană etc., sau sisteme cu plasmă inerțială confinată, când plasma este un timp scurt(10-8-10-7 s) se introduce energie (fie cu ajutorul radiației laser, fie folosind fascicule de electroni sau ioni relativiști), suficientă pentru apariția și menținerea reacțiilor. T.r. cu magnetic Confinarea cu plasmă poate funcționa în moduri cvasi-staționare sau staționare. În cazul confinării plasmei inerțiale T. r. trebuie să funcționeze în modul puls scurt.

T.r. caracterizat prin coeficient. amplificarea puterii (factor de calitate) Q, egal cu raportul dintre puterea termică obținută în reactor și costul energiei de producere a acestuia. Termica T.r. constă în puterea eliberată în timpul fuziunii. reacții în plasmă, iar puterea eliberată în așa-numita. Pătură TR - o înveliș specială care înconjoară plasma, care folosește energia nucleelor termonucleare și a neutronilor. Cea mai promițătoare tehnologie pare a fi cea care funcționează pe un amestec de deuteriu-tritiu datorită vitezei de reacție mai mari decât alte reacții de fuziune.

T.r. pe combustibil deuteriu-tritiu, în funcție de compoziția păturii, acesta poate fi „pur” sau hibrid. Pătură de „pur” T. r. conține Li; în ea, sub influența neutronilor, se produce care „arde” în plasma de deuteriu-tritiu, iar energia termonuclearelor crește. reacții de la 17,6 la 22,4 MeV. În pătura unui hibrid T. r. Nu numai că se produce tritiu, dar există zone în care, când se pune 238U în ele, se poate obține 239Pu (vezi REACTOR NUCLEAR). În același timp, în pătură este eliberată energie egală cu cca. 140 MeV per un termonuclear. . Astfel, în hibridul T. r. este posibil să se obțină aproximativ de șase ori mai multă energie decât într-un reactor nuclear „pur”, dar prezența radioacțiilor fisile în primul. in-in creează un mediu apropiat de cel în care există otravă. reactoare de fisiune.

Fizic Dicţionar enciclopedic. - M.: Enciclopedia Sovietică. Editor sef A. M. Prohorov. 1983 .

reactor de fuziune

Dezvoltat în anii 1990. un dispozitiv pentru obținerea energiei prin reacții de fuziune a nucleelor atomice ușoare care apar în plasmă la temperaturi foarte ridicate (10 8 K). De bază Cerința pe care T.R. trebuie să o îndeplinească este ca rezultatul să elibereze energie reacții termonucleare(TP) a compensat mai mult decât costurile cu energia din surse externe. surse pentru mentinerea reactiei.

Există două tipuri de T. r. Primul include reactoare, care generează energie din surse externe. surse este necesară doar pentru aprinderea TP. Reacțiile ulterioare sunt susținute de energia eliberată în plasmă la TP, de exemplu. într-un amestec de deuteriu-tritiu, energia particulelor a formate în timpul reacțiilor este consumată pentru a menține o temperatură ridicată. Într-un amestec de deuteriu cu 3 He, energia tuturor produselor de reacție, adică particulele a și protonii, este cheltuită pentru menținerea temperaturii necesare a plasmei. În regim de funcționare staționar T.r. energie care poartă o sarcină. produse de reacție, compensează energia. pierderi din plasmă cauzate în principal de conductivitate termică a plasmei și radiații. Astfel de reactoare se numesc reactoare cu aprinderea unei reacții termonucleare auto-susținute (vezi. Criteriul de aprindere). Un exemplu de astfel de T.r.: tokamak, stellarator.

La alte tipuri de T. r. Reactoarele includ reactoare în care energia eliberată în plasmă sub formă de încărcături este insuficientă pentru a menține arderea reacțiilor. produse de reacție, dar este nevoie de energie din surse externe. surse. Astfel de reactoare sunt de obicei numite reactoare care susțin arderea reacțiilor termonucleare. Acest lucru se întâmplă în acele râuri T. unde energia este mare. pierderi, de ex. deschide mag. capcană, tokamak, care funcționează într-un mod cu densitatea plasmei și temperatură sub curba de aprindere TP. Aceste două tipuri de reactoare le includ pe toate tipuri posibile T. r., care poate fi construit pe baza de sisteme cu magnetic. izolare cu plasmă (tokamak, stellarator, capcană magnetică deschisă etc.) sau sisteme cu reținere inerțială plasmă.

Reactorul experimental termonuclear internațional ITER: 1 - central; 2 - pătură -; 3 - plasmă; 4 - perete de vid; 5 - conducta de pompare; 6- criostat; 7- bobine de control activ; 8 - bobină toroidală camp magnetic; 9 - primul perete; 10 - plăci de deviație; 11 - bobine de câmp magnetic poloidal.

Un reactor cu plasmă inerțială se caracterizează prin faptul că într-un timp scurt (10 -8 -10 -7 s) se introduce energie în el folosind fie radiații laser, fie fascicule de electroni sau ioni relativiști, suficiente pentru apariția și menținerea TP. Un astfel de reactor va funcționa doar în modul de impuls scurt, spre deosebire de un reactor cu magnet. izolare cu plasmă, care poate funcționa în moduri cvasi-staționare sau chiar staționare.

T.r. caracterizat prin coeficient. câștig de putere (factor de calitate) Q, egal cu raportul dintre puterea termică a reactorului și costurile cu puterea de producere a acestuia. Puterea termică a reactorului constă în puterea eliberată în timpul TP în plasmă, puterea introdusă în plasmă pentru a menține temperatura de ardere TP sau menținerea unui curent staționar în plasmă în cazul unui tokamak și puterea eliberată în plasmă. plasmă.

Dezvoltarea T.r. cu magnetic retenția este mai avansată decât sistemele de retenție inerțială. Schema Experimentului Termonuclear Internațional. Reactorul tokamak ITER, un proiect care a fost dezvoltat din 1988 de către patru părți - URSS (din 1992 Rusia), SUA, țările Euratom și Japonia, este prezentat în figură. T.r. Are . parametri: raza mare a plasmei 8,1 m; rază mică a plasmei în medie. avion 3 m; alungirea secțiunii transversale a plasmei 1,6; mag toroidal. pe axa 5,7 Tesla; plasmă evaluată 21 MA; nominal puterea termonucleara cu combustibil DT 1500 MW. Reactorul conține urme. de bază noduri: centru. solenoid eu, electric al cărui domeniu efectuează, reglează creșterea curentului și îl menține împreună cu special. sistemul va fi completat încălzire cu plasmă; primul perete 9, marginile sunt direct îndreptate spre plasmă și percep fluxuri de căldură sub formă de radiații și particule neutre; pătură - protecție 2, care fenomene parte integrantă a T. r. pe combustibil deuteriu-tri-tiu (DT), deoarece tritiul ars în plasmă este reprodus în pătură. T.r. pe combustibil DT, în funcție de materialul păturii, acesta poate fi „pur” sau hibrid. Pătură de „pur” T. r. conține Li; în el, sub influența neutronilor termonucleari, se produce tritiu: 6 Li +nT+ 4 He+ 4,8 MeV, iar energia TP crește de la 17,6 MeV la 22,4 MeV. În gol reactor hibrid de fuziune Nu numai că se produce tritiu, dar există zone în care deșeurile 238 U sunt plasate pentru a produce 239 Pu. În același timp, în pătură este eliberată energie egală cu 140 MeV per neutron termonuclear. T. o., într-un hibrid T. r. este posibil să se obțină aproximativ de șase ori mai multă energie per eveniment inițial de fuziune decât în T.R. „pură”, dar prezența în primul caz a radioactelor fisionabile. substanțele creează radiații. un mediu asemănător cu cel al raiului care există în reactoare nucleare Divizia.

În T.r. cu combustibil pe un amestec de D cu 3 He, nu există o pătură, deoarece nu este nevoie să se reproducă tritiu: D + 3 He 4 He (3,6 MeV) + p (14,7 MeV), iar toată energia este eliberată în forma de taxare. produși de reacție. Radiația Protecția este concepută pentru a absorbi energia neutronilor și a actelor radioactive. radiația și reducerea căldurii și radiațiile curg către magnetul supraconductor. sistem la un nivel acceptabil pentru funcționarea staționară. Bobine de magnet toroidal câmpuri 8 servesc la crearea unui magnet toroidal. câmpuri și sunt făcute supraconductoare folosind un supraconductor Nb 3 Sn și o matrice de cupru care funcționează la temperatura heliului lichid (4,2 K). Dezvoltarea tehnologiei pentru obținerea supraconductivității la temperatură înaltă poate face posibilă eliminarea răcirii bobinelor cu heliu lichid și trecerea la mai multe mod ieftin răcire, de ex. nitrogen lichid. Designul reactorului nu se va schimba semnificativ. Bobine de câmp poloidal 11 sunt de asemenea supraconductoare și, împreună cu magneziul. câmpul de curent al plasmei creează o configurație de echilibru a câmpului magnetic poloidal. câmpuri cu unul sau doi d i v e r t o r poloidal zero 10, servind la îndepărtarea căldurii din plasmă sub forma unui flux de sarcini. particule și pentru pomparea produșilor de reacție neutralizați pe plăcile divertorului: heliu și protiu. În T.r. cu combustibil D 3 He, plăcile de deviație pot servi ca unul dintre elementele sistemului de conversie a energiei de încărcare directă. produse de reacție în energie electrică. Criostat 6 servește la răcirea bobinelor supraconductoare la temperatura heliului lichid sau la temperaturi mai ridicate atunci când se utilizează supraconductori mai avansati de temperatură înaltă. Cameră de vid 4 iar mijloacele de pompare 5 sunt proiectate pentru a obține un vid înalt în camera de lucru a reactorului, în care este creată plasmă. 3, și în toate volumele auxiliare, inclusiv în criostat.

Ca prim pas spre crearea energiei termonucleare, este propus un reactor termonuclear care funcționează pe un amestec DT datorită vitezei de reacție mai mari decât alte reacții de fuziune. În viitor, se ia în considerare posibilitatea creării unui T. r. cu radioactivitate scăzută. pe un amestec de D cu 3 He, în care bas. energia poartă o sarcină. produșii de reacție și neutronii apar numai în reacțiile DD și DT în timpul arderii tritiului generat în reacțiile DD. Ca urmare, biol. pericol T. r. poate fi redusă, aparent, cu patru până la cinci ordine de mărime în comparație cu reactoarele de fisiune nucleară, nu este nevoie de prelucrarea radioactelor materialelor și transportul acestora, eliminarea materialelor radioactive este simplificată calitativ. deşeuri. Cu toate acestea, perspectivele pentru crearea unui TR prietenos cu mediul în viitor. pe un amestec de D cu 3 Necomplicat de problema materiilor prime: naturale. concentrațiile izotopului 3 He pe Pământ sunt părți per milion din izotopul 4 He. Prin urmare, se pune problema dificilă a obținerii de materii prime, de ex. prin eliberarea lui de pe Lună.

ITER - Reactor Termonuclear Internațional (ITER)

Consumul uman de energie crește în fiecare an, ceea ce împinge sectorul energetic către o dezvoltare activă. Astfel, odată cu apariția centralelor nucleare, cantitatea de energie generată în întreaga lume a crescut semnificativ, ceea ce a făcut posibilă utilizarea în siguranță a energiei pentru toate nevoile omenirii. De exemplu, 72,3% din energia electrică generată în Franța provine din centrale nucleare, în Ucraina - 52,3%, în Suedia - 40,0%, în Marea Britanie - 20,4%, în Rusia - 17,1%. Cu toate acestea, tehnologia nu stă pe loc și, pentru a satisface nevoile energetice viitoare ale țărilor viitoare, oamenii de știință lucrează la o serie de proiecte inovatoare, dintre care unul este ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor).

Deși profitabilitatea acestei instalații este încă sub semnul întrebării, conform muncii multor cercetători, crearea și dezvoltarea ulterioară a tehnologiei de fuziune termonucleară controlată poate avea ca rezultat o sursă puternică și sigură de energie. Să ne uităm la unele laturi pozitive instalare similara:

Combustibilul principal al unui reactor termonuclear este hidrogenul, ceea ce înseamnă rezerve practic inepuizabile de combustibil nuclear.
Producția de hidrogen poate avea loc prin procesare apa de mare, care este disponibil în majoritatea țărilor. De aici rezultă că nu poate apărea un monopol al resurselor de combustibil.
Probabilitatea unei explozii de urgență în timpul funcționării unui reactor termonuclear este mult mai mică decât în timpul funcționării unui reactor nuclear. Potrivit cercetătorilor, chiar și în cazul unui accident, emisiile de radiații nu vor reprezenta un pericol pentru populație, ceea ce înseamnă că nu este nevoie de evacuare.
Spre deosebire de reactoarele nucleare, reactoarele de fuziune produc deșeuri radioactive care au un timp de înjumătățire scurt, ceea ce înseamnă că se descompun mai repede. De asemenea, nu există produse de combustie în reactoarele termonucleare.
Un reactor de fuziune nu necesită materiale care sunt utilizate și pentru arme nucleare. Acest lucru elimină posibilitatea de a acoperi producția de arme nucleare prin prelucrarea materialelor pentru nevoile unui reactor nuclear.

Reactorul termonuclear - vedere în interior

Cu toate acestea, există și o serie de deficiențe tehnice pe care cercetătorii le întâmpină în mod constant.

De exemplu, versiunea actuală a combustibilului, prezentată sub formă de amestec de deuteriu și tritiu, necesită dezvoltarea de noi tehnologii. De exemplu, la sfârșitul primei serii de teste la reactorul termonuclear JET, cel mai mare până în prezent, reactorul a devenit atât de radioactiv încât a fost necesară dezvoltarea unui sistem special de întreținere robotizată pentru finalizarea experimentului. Un alt factor dezamăgitor în funcționarea unui reactor termonuclear este eficiența acestuia - 20%, în timp ce randamentul unei centrale nucleare este de 33-34%, iar o centrală termică este de 40%.

Crearea proiectului ITER și lansarea reactorului

Proiectul ITER datează din 1985, când Uniunea Sovietică a propus crearea comună a unui tokamak - o cameră toroidală cu bobine magnetice care este capabilă să rețină plasmă folosind magneți, creând astfel condițiile necesare pentru ca reacția de fuziune termonucleară să aibă loc. În 1992, a fost semnat un acord cvadripartit privind dezvoltarea ITER, părți la care erau UE, SUA, Rusia și Japonia. În 1994, Republica Kazahstan a aderat la proiect, în 2001 - Canada, în 2003 - Coreea de Sud și China, în 2005 - India. În 2005, a fost determinat locul de construcție a reactorului - Centru de cercetare Energie nucleară Cadarache, Franța.

Construcția reactorului a început cu pregătirea unei gropi pentru fundație. Deci parametrii gropii au fost 130 x 90 x 17 metri. Întregul complex de tokamak va cântări 360.000 de tone, dintre care 23.000 de tone sunt tokamak-ul însuși.

Diverse elemente ale complexului ITER vor fi dezvoltate și livrate pe șantier din întreaga lume. Deci, în 2016, o parte din conductorii pentru bobine poloidale a fost dezvoltat în Rusia, care au fost apoi trimise în China, care va produce ei înșiși bobinele.

Evident, o astfel de lucrare de amploare nu este deloc ușor de organizat; o serie de țări nu au reușit în mod repetat să țină pasul cu programul proiectului, drept urmare lansarea reactorului a fost amânată constant. Deci, conform mesajului din iunie anul trecut (2016): „primirea primei plasme este planificată pentru decembrie 2025”.

Mecanismul de funcționare al tokamak-ului ITER

Termenul „tokamak” provine dintr-un acronim rusesc care înseamnă „camera toroidală cu bobine magnetice”.

Inima unui tokamak este camera sa de vid în formă de torus. În interior, la temperaturi și presiuni extreme, hidrogenul gazos devine plasmă - un gaz fierbinte, încărcat electric. După cum se știe, materia stelară este reprezentată de plasmă, iar reacțiile termonucleare din nucleul solar au loc tocmai în condiții de temperatură și presiune ridicate. Condiții similare pentru formarea, reținerea, compresia și încălzirea plasmei sunt create prin intermediul unor bobine magnetice masive care sunt situate în jurul unui vas cu vid. Influența magneților va limita plasma fierbinte de pe pereții vasului.

Înainte de începerea procesului, aerul și impuritățile sunt îndepărtate din camera de vid. Sistemele magnetice care vor ajuta la controlul plasmei sunt apoi încărcate și este introdus combustibil gazos. Când un curent electric puternic trece prin vas, gazul este divizat electric și devine ionizat (adică electronii părăsesc atomii) și formează o plasmă.

Pe măsură ce particulele de plasmă sunt activate și se ciocnesc, ele încep și să se încălzească. Metode de ajutorîncălzirea ajută la aducerea plasmei la temperaturi de topire (150 până la 300 milioane °C). Particulele „excitate” în acest grad își pot depăși repulsia electromagnetică naturală la ciocnire, eliberând cantități enorme de energie ca urmare a unor astfel de ciocniri.

Designul tokamak constă din următoarele elemente:

Vas cu vid

(„gogoșă”) este o cameră toroidală din oțel inoxidabil. Diametrul său mare este de 19 m, cel mic este de 6 m, iar înălțimea sa de 11 m. Volumul camerei este de 1.400 m 3, iar greutatea sa este de peste 5.000 de tone. Pereții vasului de vid sunt dubli; lichidul de racire va circula intre pereti, care va fi apa distilata.apa. Pentru a evita contaminarea apei, peretele interior al camerei este protejat de radiatii radioactive folosind o pătură.

Pătură

(„pătură”) – constă din 440 de fragmente care acoperă suprafața interioară a camerei. Suprafața totală a banchetului este de 700 m2. Fiecare fragment este un fel de casetă, al cărei corp este din cupru, iar peretele frontal este detașabil și din beriliu. Parametrii casetelor sunt 1x1,5 m, iar masa nu este mai mare de 4,6 tone. Astfel de casete cu beriliu vor încetini neutronii de înaltă energie formați în timpul reacției. În timpul moderarii neutronilor, căldura va fi eliberată și îndepărtată de sistemul de răcire. Trebuie remarcat faptul că praful de beriliu format ca urmare a funcționării reactorului poate provoca o boală gravă numită beriliu și are, de asemenea, un efect cancerigen. Din acest motiv, la complex se dezvoltă măsuri stricte de securitate.

Tokamak în secțiune. Galben - solenoid, portocaliu - magneți de câmp toroidal (TF) și câmp poloidal (PF), albastru - pătură, albastru deschis - VV - vas de vid, violet - divertor

(„scrumiera”) de tip poloidal este un dispozitiv a cărui sarcină principală este „curățarea” plasmei de murdărie rezultată din încălzirea și interacțiunea pereților camerei acoperiți cu pătură cu aceasta. Când astfel de contaminanți intră în plasmă, încep să radieze intens, rezultând pierderi suplimentare de radiații. Este situat în partea de jos a tokomak-ului și folosește magneți pentru a direcționa straturile superioare de plasmă (care sunt cele mai contaminate) în camera de răcire. Aici plasma se răcește și se transformă în gaz, după care este pompată înapoi din cameră. Praful de beriliu, după ce intră în cameră, practic nu se poate întoarce înapoi în plasmă. Astfel, contaminarea cu plasmă rămâne doar la suprafață și nu pătrunde mai adânc.

Criostat

- cea mai mare componentă a tokomak, care este o carcasă din oțel inoxidabil cu un volum de 16.000 m 2 (29,3 x 28,6 m) și o masă de 3.850 de tone. Alte elemente ale sistemului vor fi amplasate în interiorul criostatului și el însuși servește ca o barieră între tokamak şi Mediul extern. Pe pereții săi interiori vor exista ecrane termice răcite prin circularea azotului la o temperatură de 80 K (-193,15 °C).

Sistem magnetic

– un set de elemente care servesc la continerea si controlul plasma in interiorul unui vas cu vid. Este un set de 48 de elemente:

Bobinele de câmp toroidal sunt situate în afara camerei de vid și în interiorul criostatului. Sunt prezentate în 18 bucăți, fiecare măsurând 15 x 9 m și cântărind aproximativ 300 de tone Împreună, aceste bobine generează un câmp magnetic de 11,8 Tesla în jurul torusului plasmei și stochează energie de 41 GJ.
Bobine de câmp poloidal – situate deasupra bobinelor de câmp toroidal și în interiorul criostatului. Aceste bobine sunt responsabile pentru generarea unui câmp magnetic care separă masa plasmei de pereții camerei și comprimă plasma pentru încălzirea adiabatică. Numărul de astfel de bobine este de 6. Două dintre bobine au un diametru de 24 m și o masă de 400 de tone, restul de patru sunt ceva mai mici.
Solenoidul central este situat în partea interioară a camerei toroidale, sau mai degrabă în „gaura pentru gogoși”. Principiul funcționării acestuia este similar cu un transformator, iar sarcina principală este de a excita un curent inductiv în plasmă.
Bobinele de corecție sunt situate în interiorul vasului de vid, între pătură și peretele camerei. Sarcina lor este de a menține forma plasmei, capabilă să „bombă” local și chiar să atingă pereții vasului. Vă permite să reduceți nivelul de interacțiune a pereților camerei cu plasma și, prin urmare, nivelul de contaminare a acesteia și, de asemenea, reduce uzura camerei în sine.

Structura complexului ITER

Designul tokamak descris mai sus „pe scurt” este un mecanism inovator extrem de complex, asamblat prin eforturile mai multor țări. Cu toate acestea, pentru funcționarea sa deplină, este necesar un întreg complex de clădiri situate lângă tokamak. Printre ei:

Sistem de control, acces la date și comunicații – CODAC. Situat într-un număr de clădiri ale complexului ITER.
Sistem de stocare și combustibil - servește la livrarea combustibilului către tokamak.
Sistem de vid - constă din peste patru sute de pompe de vid, a căror sarcină este de a pompa produse de reacție termonucleară, precum și diferiți contaminanți din camera de vid.
Sistem criogenic – reprezentat de un circuit de azot și heliu. Circuitul de heliu va normaliza temperatura în tokamak, a cărui lucru (și, prin urmare, temperatura) nu are loc continuu, ci în impulsuri. Circuitul de azot va răci scuturile termice ale criostatului și circuitul de heliu însuși. Va exista și un sistem de răcire cu apă, care are ca scop scăderea temperaturii pereților păturii.
Alimentare electrică. Tokamak va necesita aproximativ 110 MW de energie pentru loc de munca permanent. Pentru a realiza acest lucru, vor fi instalate linii electrice lungi de kilometri și conectate la rețeaua industrială franceză. Merită să reamintim că instalația experimentală ITER nu asigură generarea de energie, ci funcționează numai în interes științific.

finanțare ITER

Reactorul termonuclear internațional ITER este o întreprindere destul de costisitoare, care a fost estimată inițial la 12 miliarde de dolari, Rusia, SUA, Coreea, China și India reprezentând 1/11 din cantitate, Japonia pentru 2/11 și UE pentru 4. /11 . Această sumă a crescut ulterior la 15 miliarde de dolari. Este de remarcat faptul că finanțarea are loc prin furnizarea de echipamente necesare complexului, care este dezvoltat în fiecare țară. Astfel, Rusia furnizează pături, dispozitive de încălzire cu plasmă și magneți supraconductori.

Perspectiva proiectului

În prezent, sunt în derulare construcția complexului ITER și producția tuturor componentelor necesare pentru tokamak. După lansarea planificată a tokamak-ului în 2025, vor începe o serie de experimente, pe baza rezultatelor cărora se vor remarca aspectele care necesită îmbunătățiri. După punerea în funcțiune cu succes a ITER, este planificată construirea unei centrale electrice bazate pe fuziune termonucleară numită DEMO (DEMOnstration Power Plant). Scopul DEMo este de a demonstra așa-numita „atractie comercială” a puterii de fuziune. Dacă ITER este capabil să genereze doar 500 MW de energie, atunci DEMO va putea genera continuu energie de 2 GW.

Cu toate acestea, trebuie avut în vedere faptul că instalația experimentală ITER nu va produce energie, iar scopul său este obținerea de beneficii pur științifice. Și după cum știți, acest experiment fizic nu numai că poate satisface așteptările, ci poate aduce și noi cunoștințe și experiențe omenirii.